ANALÓG ÉS DIGITÁLIS TECHNIKA I



Hasonló dokumentumok
DIGITÁLIS TECHNIKA II

DIGITÁLIS TECHNIKA II

Digitális kapcsolások megvalósítása Bináris állapotok megvalósítása

DIGITÁLIS TECHNIKA II

Feszültségszintek. a) Ha egy esemény bekövetkezik akkor az értéke 1 b) Ha nem következik be akkor az értéke 0

DIGITÁLIS TECHNIKA II

ANALÓG ÉS DIGITÁLIS TECHNIKA I

DIGITÁLIS TECHNIKA 11. Előadás

11.2. A FESZÜLTSÉGLOGIKA

Integrált áramkörök/3 Digitális áramkörök/2 CMOS alapáramkörök Rencz Márta Ress Sándor

Elektronika Előadás

ELEKTRONIKA I. (KAUEL11OLK)

1. Egy lineáris hálózatot mikor nevezhetünk rezisztív hálózatnak és mikor dinamikus hálózatnak?

FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK II. Elektrotechnika 5. előadás

Integrált áramkörök/2 Digitális áramkörök/1 MOS alapáramkörök. Rencz Márta Ress Sándor Elektronikus Eszközök Tanszék

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

XI. DIGITÁLIS RENDSZEREK FIZIKAI MEGVALÓSÍTÁSÁNAK KÉRDÉSEI Ebben a fejezetben a digitális rendszerek analóg viselkedésével kapcsolatos témákat

2.Előadás ( ) Munkapont és kivezérelhetőség

ELEKTRONIKA I. TRANZISZTOROK. BSc Mérnök Informatikus Szak Levelező tagozat

Irányítástechnika Elıadás. A logikai hálózatok építıelemei

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Boole algebra, logikai kifejezések

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: A tranzisztor, mint kapcsoló

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Térvezérlésű tranzisztorok (FET)

Kombinációs hálózatok és sorrendi hálózatok realizálása félvezető kapuáramkörökkel

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Logikai kapuáramkörök

feszültség konstans áram konstans

Alapkapuk és alkalmazásaik

DIGITÁLIS TECHNIKA II Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint

Műveleti erősítők - Bevezetés

Bevezetés az elektronikába

Teljesítmény-erősítők. Elektronika 2.

Gingl Zoltán, Szeged, :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok

Elektronika alapjai. Témakörök 11. évfolyam

Tantárgy: DIGITÁLIS ELEKTRONIKA Tanár: Dr. Burány Nándor

Bevezetés az elektronikába

Elektronika 11. évfolyam

MIKRO- ÉS NANOTECHNIKA I

Gingl Zoltán, Szeged, dec. 1

Bipoláris tranzisztoros erősítő kapcsolások vizsgálata

Teljesítményerősítők ELEKTRONIKA_2

Elektronika Előadás. Műveleti erősítők felépítése, ideális és valós jellemzői

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Scmitt-trigger kapcsolások

A valós digitális áramkörök legfontosabb tulajdonságai

A BIPOLÁRIS TRANZISZTOR.

Attól függően, hogy a tranzisztor munkapontját melyik karakterisztika szakaszon helyezzük el, működése kétféle lehet: lineáris és nemlineáris.

III. félvezetők elméleti kérdések 1 1.) Milyen csoportokba sorolhatók az anyagok a fajlagos ellenállásuk alapján?

Diszkrét aktív alkatrészek

Alapkapuk és alkalmazásaik

Analóg áramkörök Műveleti erősítővel épített alapkapcsolások

ANALÓG ÉS DIGITÁLIS TECHNIKA I

Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba. Tihanyi Attila április 17.

Bevezetés az elektronikába

Koincidencia áramkörök

Elektronika I. Dr. Istók Róbert. II. előadás

Műveleti erősítők. 1. Felépítése. a. Rajzjele. b. Belső felépítés (tömbvázlat) c. Differenciálerősítő

Kapuáramkörök működése, felépítése, gyártása

ELEKTROTECHNIKA-ELEKTRONIKA ELEKTROTECHNIKA

Integrált áramkörök/2. Rencz Márta Elektronikus Eszközök Tanszék

Lineáris és kapcsoló üzemű feszültség növelő és csökkentő áramkörök

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

29.B 29.B. Kombinációs logikai hálózatok

Logikai áramkörök. Informatika alapjai-5 Logikai áramkörök 1/6

Elektronika Előadás. Műveleti erősítők táplálása, alkalmazása, alapkapcsolások

Tételek Elektrotechnika és elektronika I tantárgy szóbeli részéhez 1 1. AZ ELEKTROSZTATIKA ALAPJAI AZ ELEKTROMOS TÖLTÉS FOGALMA 8 1.

Áramkörök számítása, szimulációja és mérése próbapaneleken

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Elektronika Előadás. Analóg és kapcsoló-üzemű tápegységek

A stabil üzemű berendezések tápfeszültségét a hálózati feszültségből a hálózati tápegység állítja elő (1.ábra).

KÖZÖS EMITTERŰ FOKOZAT BÁZISOSZTÓS MUNKAPONTBEÁLLÍTÁSA

MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV. Felhasznált eszközök. Mérési feladatok

Digitális rendszerek II. Dr. Turóczi Antal

PN átmenet kivitele. (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) A=anód, K=katód

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. V. Félvezető diódák

Földzaj. Földzaj problémák a nagy meghajtó képességű IC-knél

Logaritmikus erősítő tanulmányozása

Mûveleti erõsítõk I.

Mérés és adatgyűjtés

Foglalkozási napló a 20 /20. tanévre

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Hármas tápegység Matrix MPS-3005L-3

Elektronika laboratóriumi mérőpanel elab panel NEM VÉGLEGES VÁLTOZAT! Óbudai Egyetem

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK II. 4. DC MOTOROK VEZÉRLÉS

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Szimmetrikus bemenetű erősítők működésének tanulmányozása, áramköri paramétereinek vizsgálata.

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

DIGITÁLIS TECHNIKA I

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

TB6600 V1 Léptetőmotor vezérlő

Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba. Tihanyi Attila 2007 március 27

Integrált áramkörök/4 Digitális áramkörök/3 CMOS megvalósítások Rencz Márta

10.1. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

i1. Az elektronikában alkalmazott mennyiségek SI mértékegységei és prefixei.

Digitális technika kidolgozott tételek

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

D I G I T Á L I S Á R A M K Ö R Ö K

X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

DIGITÁLIS TECHNIKA I Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint

DIGITÁLIS TECHNIKA II

10. Digitális tároló áramkörök

Átírás:

ANALÓG ÉS DIGITÁLIS TECHNIKA I Dr. Lovassy Rita lovassy.rita@kvk.uni-obuda.hu Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 4. ELŐADÁS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK I 2010/2011 tanév 2. félév 1

4. ELŐADÁS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK I 1. Digitális áramkörcsaládok 2. Inverter és tulajdonságai 3. Transistor-Transistor Logic (TTL) : bipoláris tranzisztoros integrált logikai áramkörök 2 2

DIGITÁLIS ALAPÁRAMKÖRÖK Logikai áramkörök - homogén, egységes tulajdonságú alapelemek Kapuk, tárolók - azonos tápfeszültség, azonos logikai szintek, hasonló terjedési idők Technológia - közös, egy chip-en integrálhatók Áramkörcsaládok 3 3

DIGITÁLIS ALAPÁRAMKÖRÖK: AZ INVERTER Konstrukciós szempontból egy áramkörcsalád leglényegesebb eleme az inverter Az inverter határozza meg az áramkörök alaptulajdonságait: jelszintek, zavarvédelem, terjedési, késleltetési idő, teljesítményfelvétel a bonyolultabb logikai elemek az inverterből származtathatók, pl. NOR, NAND kapuk: inverter kiegészítése SR flip-flop: két NOR kapu, stb. 4 4

LOGIKAI ÁLLAPOTOK, LOGIKAI SZINTEK Félvezetős logikai áramkörök feszültségvezéreltek. Logikai állapotok: feszültség (szint illetve impulzus). Pozitív és negatív szintű logikai rendszerek. Pozitív logika: 1-es szint pozitívabb mint a 0-ás szint. Negatív logika: 1-es szint negatívabb mint a 0-ás szint. Szabad szintű rendszer: Logikai szintek tűrése viszonylag nagy, a névleges értékek 30-50 %-a is lehet. Kötött (megfogott) szintű rendszer: Logikai szintek tűrése viszonylag kicsi. 5 5

IDEÁLIS KAPCSOLÓ R UT I 1 U=0 0 U = UT Kapcsoló feladata: az áramkör zárásával az UT tápfeszültséget az R terhelő 1 0 ellenállásra kapcsolja, illetve kikapcsoláskor az áramkört U megszakítja. Ideális kapcsoló: érzéketlen a polaritásra kapcsolási idő végtelenül rövid nincs rajta teljesítményveszteség 6 6

VALÓSÁGOS KAPCSOLÓ R1 - nyitott állapotbeli (véges) ellenállás (pl. szigetelési ellenállás R2 - zárt állapotbeli (nem zérus) ellenállás (pl. átmeneti ellenállás) 7 7

VALÓSÁGOS KAPCSOLÓ JELLEMZŐI zárt állapotban maradékfeszültség nyitott állapotban maradékáram teljesítményveszteség mind nyitott, mind zárt állapotban átkapcsolás véges idő alatt megy végbe 8 8

FÉLVEZETŐ DIÓDA (PN-ÁTMENET) MINT KAPCSOLÓ I = Io(exp(U/Uth)-1) UT - termikus feszültség (kt/q), szobahőmérséklet környezetében kb. 26 mv A félvezető dióda nem ideális kapcsoló! Vezérlés - a rákapcsolt feszültség előjelével! 9 9

DIÓDA MINT KAPCSOLÓ I Záróirány: kikapcsolt Nyitóirány: bekapcsolt U Uny Kikapcsolt állapot: feszültségtől széles határok között független maradék-áram, mai diódáknál gyakorlatilag elhanyagolható Bekapcsolt állapot: Az átfolyó áramtól kevéssé függő, néhány tized volt ún. nyitófeszültség marad a diódán. Uny - Si diódán 0,6-0,7 V, GaAs diódán 1,2-1,4 V. Si Schottky diódán pedig kb. 0,4 V. 10 10

DIÓDA: KAPCSOLÁSI IDŐ Átkapcsolási folyamat: töltésváltozások! Korlátozó tényező: tárolt töltés (kisebbségi töltéshordozók) illetve a diffúziós kapacitás. A nyitóirányból a záróirányba való átkapcsolás addig nem megy végbe míg a tárolt töltés el nem tűnik (tárolási időállandó, storage time). 11 11

DIÓDÁS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK ÉS illetve VAGY funkció valósítható meg megfelelően kötött diódákkal. Diódás ÉS kapu: pozitív logikában a kimenetén mindig a legnegatívabb feszültség jelenik meg. A kimenet csak akkor 1, ha az összes bemenet 1. Diódás VAGY kapu: pozitív szintű logikában a kimenetén mindig a legpozitívabb feszültség jelenik meg. A kimenet 1, ha legalább az egyik bemenet 1. 12 12

Diódák kapcsolóüzemben Ha valamelyik bemeneten 0 V van, a hozzá tartozó dióda lezár, ez a bement leválasztódik, nem zavarja a kimeneti logikai 1 feszültség kialakulását. Ha VAGY az A, VAGY a B bemenetre pozitív feszültséget adunk, akkor az illető bementhez tartozó dióda kinyit, mivel az anódja pozitív feszültséget kap. A nyitott dióda katódja néhány tized V-tal, a nyitófeszültséggel negatívabb anódjánál, vagyis a kimenet feszültsége is pozitív, logikai 1 szintű. 13

Diódák kapcsolóüzemben Az R ellenállás a kimenet feszültségét pozitív feszültségre igyekszik felhúzni. Ha azonban akár egyetlen bementet is összekötünk a 0 V-os vezetékkel, akkor az ehhez a bementhez tartozó dióda kinyit és a kimenetet kis pozitív, gyakorlatilag zérus potenciál, vagyis logikai 0 jelenik meg. 14

A TRANZISZTOR MINT KAPCSOLÓ Mind a bipoláris mind a térvezérlésű (pl. MOS) tranzisztor működtethető kapcsolóüzemben, így kapcsolóáramkörök építhetők. Bipoláris tranzisztor: vezérelhető kapcsoló a bázis-emitter diódára adott vezérlő feszültség dönti el, hogy a kollektor-emitter között közel szakadás vagy közel rövidzár lép fel. 15 15

BIPOLÁRIS TRANZISZTOR KAPCSOLÓÜZEME 16 16

A tranzisztor mint kapcsoló Lineáris üzemmódban a tranzisztorok munkaponti kollektorfeszültségét UC úgy állítottuk be, hogy Ut és UCEsat értékei között legyen, így az eszközt a MP körül vezérelhettük. A lineáris áramkörök vezérlése kicsi, hogy a kimeneti feszültség közelítőleg lineáris függvénye legyen a bemeneti feszültségnek. A kimeneti feszültség nem érheti el a pozitív, ill. a negatív kivezérlési határt, mert akkor vágás keletkezne. Digitális áramkörök csak kétféle üzemmód szerint működnek. Ha a feszültség egy megadott Umax értéknél nagyobb, akkor a feszültség H (high) állapotú Ha a feszültség egy megadott Umin értéknél kisebb, akkor a feszültség L (low) állapotú 17

A tranzisztor mint inverter Az áramkörrel szemben támasztott követelmények: ha U be U min akkor ha U be U max akkor U ki U max U ki U min A feszültségek közötti összefüggések még a legkedvezőtlenebb esetben is teljesülniük kell (az Umax, Umin, RC és RB értékek 18 megfelelő választása)

Átviteli karakterisztika Rt RC Ut U ki 2 Ut U max 2 Smin L szintű zavartávolság Smax H szintű zavartávolság 19

L szintű zavartávolság növelésének módszerei R2 a tranzisztor CB visszáram körét zárja a tranzisztoron kívül, biztosítja, hogy a TR biztosan lezárjon. S max U ki U be U min U max feszültségosztó S min U min U ki U be U max 20

Dinamikus jellemzők, az inverter kapcsolási jellemzői Négyszögjelvezérlés esetén megkülönböztetett időtartományok tk: késleltetési idő (delay time) t1: lefutási idő (fall ime) tt: tárolási idő (storage time) tf: felfutási idő (rise time) 21

A kapu működési idejének definíciója t i min t i max t ik 2 tik A kapuáramkör működési ideje (propagation delay) 22

FÁZISFORDÍTÓ ERŐSÍTŐ ÉS INVERTER Lineáris erősítő üzemmód ANALÓG Inverter üzemmód DIGITÁLIS 23

ÁRAMKÖRGENERÁCIÓK 1930-as évek, relés áramkörök, Bell Labs (korai hajtóerő: telefon kapcsolástechnika) 1940-évek, elektroncsövek, pl. ENIAC (electronic numerical integrator and calculator), 18 ezer cső, 140 kw (ma: négy alapműveletes kalkulátor kb. 9 ezer tranzisztor) (hajtóerő: katonai alkalmazások, tüzérségi röppálya számítások, stb.) 24 24

A TRANZISZTOR ÉS AZ IC A tranzisztor a 20. századot leginkább meghatározó találmány. Kétféle tranzisztor elképzelés: külső térrel vezérelni az elektronok áramát: térvezérlésű tranzisztor (FET, MOSFET, stb.) az anyag (félvezető) belsejében létrehozni a vezérlő elektródát : bipoláris tranzisztor (BJT) FET MOS BJT TRANSISTOR Field Effect Transistor Metal-Oxide-Semiconductor Bipolar Junction Trasistor TRANSfer resistor 25 25

ÁRAMKÖRGENERÁCIÓK (2) 1950/1960 félvezető diódás és tranzisztoros áramkörök - RTL resistor-transistor-logic - DTL diode-transistor-logic - ECL emitter-coupled logic (később) 1961-től SSI (előzőek egy chipen) 1960-as évek TTL (transistor-transistor logic), Sylvania, majd igazán sikeresen Texas Instruments 1980-as évek CMOS (complementary metal-oxidesemiconductor) 26 26

TTL BEVEZETŐ Legelterjedtebb IC technológia (bipoláris) Két alapváltozat 74 (ipari) és 54 (katonai) Több sorozat Bipoláris tranzisztorok, diódák és ellenállások Tokozás DIL, SMT DIL SMT Dual-In-Line Surface Mounting Technology 27 27

TTL SOROZATOK STANDARD ELAVULT! SCHOTTKY ELAVULT! S LOW-POWER SCHOTTKY LS ADVANCED SCHOTTKY AS FAST F ADVANCED LOW-POWER SCHOTTKY ALS 28 28

IC: Si BIPOLÁRIS TECHNOLÓGIA Technológia optimalizálása: Si npn tranzisztorhoz. Alkatrészválaszték: bipoláris tranzisztor, dióda, ellenállás, kondenzátor. Tranzisztor (és minden más alkatrész) síkba kiterítve - planáris technológia Tipikus méretek: emitter diffúzió (2-2,5) m bázis diffuzió 4 m n-epitaxiás réteg (kollektor) 10 m emitter ablak (kisáramú, 1-2 ma tranzisztor) (10-15) x (10-15) m Pl. a TTL áramkörben az emitter méret 16 x 16 m, egy bemenet árama max. 1,6 ma (az áramsűrűség 6,25 A/mm2). 29 29

Si NPN (PLANÁRIS) TRANZISZTOR Emitter Base Collector p+ n+ p Al Cu Si SiO2 n+ p+ n-epi Electron flow n+ buried layer P-substrate A Si npn tranzisztor a bipoláris IC-k igáslova. Síkba kiterített (planáris) elrendezés. 30 30

Buried Layer Implantation SiO2 Betemetett réteg: ionimplantáció P-silicon n+ 31 31

Epitaxy Growth N-Si epitaxiás réteg növesztése n-epi n+ buried layer P-silicon 32 32

Isolation Implantation Elválasztó (p-típus) implantáció p+ n-epi p+ n+ buried layer P-silicon 33 33

Emitter/Collector and Base Implantation Emitter és bázistartomány, illetve kollektor kontaktus-tartomány kialakítása p+ n+ p n+ n-epi p+ n+ buried layer P-silicon 34 34

Metal Etch SiO2 p+ Emitter n+ Base Collector p Al Cu Si n+ n-epi p+ n+ buried layer P-silicon Kontaktusfémezés leválasztása, mintázat kialakítása 35 35

Passivation Oxide Deposition SiO2 p+ Emitter n+ Base Collector Al Cu Si CVD oxide p n+ n-epi p+ n+ buried layer P-silicon Passziváló oxidréteg leválasztása 36 36

IC: Si BIPOLÁRIS TRANZISZTOR Si npn tranzisztor tipikus paraméterei Region UBE (V) UCE (V) Current Relation Cutoff < 0.6 Open circuit IB=IC=0 Active 0.6-0.7 > 0.8 IC =hfeib Saturation 0.7-0.8 0.2 IB IC/hFE a bázis-emitter diódára adott vezérlő feszültség dönti el, hogy a kollektor-emitter között közel szakadás vagy közel 37rövidzár lép fel

INTEGRÁLT ÁRAMKÖR Kilby: Fizikai Nobel díj 2000 The Nobel Prize in Physics 2000: "for basic work on information and communication technology "for his part in the invention of the integrated circuit 38

1958 - Az első integrált áramkör Texas Instruments 39

A TTL ÁRAMKÖRCSALÁD Lényegében a dióda-tranzisztor logika (DTL) módosított változata Alacsony fokú integráció (SSI) és rövid késleltetési idők TTL áramkörcsalád Bemenet: multiemitteres-tranzisztor (ÉS funkció); Kimenet: háromféle: ellenütemű, nyitott kollektoros, három-állapotú Legegyszerűbb TTL-áramköri elem a kétbemenetes NAND-kapu Invertáló kimenetű (NAND, NOR, NOT) kapuáramkörök technikailag egyszerűbben valósíthatók meg mint a neminvertálók. 40 40

(KLASSZIKUS) TTL ALAPKAPU (NAND) VCC (+5V ) 4k A 1,6 k 130 T1 A B T4 T2 B D1 D2 1k D3 & Q Q T3 GND (0V) bemeneti fokozat, ÉS kapu, T1, második fokozat, fázishasító, T2, ellenütemű kimenőfokozat, totem-pole, T3, T4, diódás szinteltolóval. A logikai funkciót diódák is ellátnák, a tranzisztorhatás felgyorsítja az41 átkapcsolást.41

TTL ALAPKAPU (NAND) A totem-pole kimenet felső tranzisztora mint aktív felhúzó terhelés kis dinamikus munkaellenállást képvisel, ami felgyorsítja a kimenetet terhelő kapacitások áttöltését, és így az átkapcsolást. A 130 ohmos ellenállás szerepe áramkorlátozás. A többemitteres tranzisztor a Texas Instruments szabadalma. A D1 és D2 diódák a bemenet védik az esetleges negatív túlfeszültség ellen, illetve a negatív 42 amplitúdójú tranziensek és zavarjelek ellen. 42

TTL FESZÜLTSÉGSZINTEK K imeneten: Bemeneten: Az elektronikus digitális áramkörök bemenetén 5V és kimenetén egy logikai változó 0 vagy 1 H 4V H 3V 2,4V 2V T 0,4V L T 2V 0,8V 1V értékét egy-egy feszültségszint, az ún. logikai szint reprezentálja. Ez nem egy pontos feszültségérték, hanem egy feszültségtartomány, mivel a digitális áramkörök paramétereinek szórásuk van. A feszültségtartományokat az eszközök kimenetére és bemenetére külön definiálják. Ahhoz, hogy az eszközök megfelelően tudjanak működni zavaró jelek esetén is, a bemeneti feszültségtartományok tágabbak. Adatlapokon általában csak az UHmin és ULmax értékeket adják meg, mivel a gyakorlatban ezek határozzák meg a worst case eseteket. L 0V 43 43

TTL ALAPKAPU FESZÜLTSÉGEI: BEMENET MAGAS (HIGH) +2 V ~+0,8 V +1,4 V +0,7 V Ube +2 V Uki 0 V ( 0,4 V) Ibe 40 μa, Uki 0,4 V. A T2 és T3 tranzisztorok telítésben vannak, ez jelentős sebességkorlátozó tényező. Kimenten 0 1 átmenet: 10-15 nsec késleltetés. A T1 és T2 tranzisztor inverz üzemben van. Ha minden bement H állapotú, akkor az R1-en átfolyó áram a T1 kinyitott 44 44 BC diódáján át folyik R2 bázisára és azt kinyitja.

TTL ALAPKAPU FESZÜLTSÉGEI: BEMENET ALACSONY (LOW) 0V +0,7 V 0 V 0 V +3,6 V (> +2,4 V) Ibe < UT/R1 = 5 V / 4 k 1,2 ma (specifikáció: max 1,6 ma) Uki (üresjárásban) = 5-2 x 0,7 = +3,6 V Ha akár csak egy bementre is alacsony feszültségszintet adunk, akkor a 45 hozzá tartozó BE dióda kinyit és a T2 bázisárama megszakad. T2 lezár45és a kimenet H szintre kerül.

TTL NAND LAYOUT Standard 2-bemenetű TTL NAND kapu áramköre Kettős 4-bementű TTL NAND kapu layout-ja Az ábrán látható elrendezés az integrált TTL kapcsolásokban ma már egyre kevésbé használják a tranzisztor telítéses működése miatt fellépő nagy kapukésleltetési idők miatt. Megoldás: Schottky-tranzisztorokból álló TTL kapu. (meggátolja, hogy a 46 46 nyitott tranzisztor UCE< 0.3 V

TTL INVERTER TRANSZFER KARAKTERISZTIKA 5V UQ A Az átviteli karakterisztika alakját lényegében az aktív felhúzó üzem és a totem-pole kimenet határozzák meg. Q 1 4V Q =A 3V A kb. 0,7-1,4 V bemeneti feszültség tartományban a T2 meredekség: -1,6 tranzisztor aktív üzemmódban mint közös emitteres erősítő U A működik, 2V 1V 0V 1V 2V 3V 4V 5V Au = - 1,6 k / 1 k = -1,6 47 47

TTL BEMENETI KARAKTERISZTIKA megengedett (logikai) tartomány 48 48

TTL KIMENETI KARAKTERISZTIKA A kimeneti karakterisztika függ a logikai állapottól! kimenet LOW kimenet HIGH 49 49

KIMENETI FOKOZAT: TOTEM-POLE Standard TTL-kapcsolásokban: ellenütemű kimeneti fokozat totem pole -kimenet. Ez a leggyakoribb TTL-kimenet. Hátrány: több kimenetet nem szabad párhuzamosan kapcsolni. Üzemmód: pull-down és pull-up. Több TTL-kimenet összekapcsolása (pl. buszrendszerek): nyitott kollektoros kimenet (open kollector) Tri-State-kimenet 50 50

NYITOTT KOLLEKTOROS KIMENET VCC (+5V ) U T A A T1 R Q T2 D T 1 Q Ki T3 GND (0V) Vezetési állapotában a kimenetet a testponttal összeköti, zárt állapotában pedig leválasztja (nagy ellenállás). Alkalmazás: nagyobb kimeneti áramok, nagyobb tápfeszültségek, stb., továbbá ún. huzalozott kapuknál. 51 51

OPEN COLLECTOR KIMENETEK KAPCSOLÁSA 5V & RC OC kimenetek párhuzamos kapcsolása. & & & & 52 OC kimenetek kapcsolási rajzjele. 52

OPEN COLLECTOR KIMENETEK KAPCSOLÁSA 5V & RC & & & & A kimeneti feszültség csak akkor lesz H szintű, ha minden kimenet H állapotú. Ez ÉS függvény a pozitív logikában. Az L szint akkor áll elő a kimeneten, ha legalább egy vagy több kimenet L állapotú. Negatív logikában VAGY függvényt kapunk. 53 53

OPEN-COLLECTOR KIMENETEK ÖSSZEKÖTÉSE Huzalozott VAGY, huzalozott ÉS funkció wired-or wired-and Mivel a függvény huzalozással valósul meg, ezért huzalozott logikájú kapcsolásnak nevezik. 54 54

OC KIMENET: FELHÚZÓ ELLENÁLLÁS MÉRETEZÉSE Minimális értékét az L, maximális értékét a H kimeneti szint határozza meg: Open-Collector (m db kimenet) R pu min TTL bemenetek (n db bemenet) U B max U OL max I OL n I IL Open-Collector (m db kimenet) TTL bemenetek (n db bemenet) U B min U OH min Rpumax m 55 I OH n I IH 55

SCHMITT-TRIGGERES BEMENETŰ INVERTER 5V UQ A Lassan változó, vagy zajjal terhelt jelek is feldolgozhatók. Ha a zavar amplitúdója kisebb mint a hiszterézis, nem okoz hibás működést Q 4V Q =A 3V Hiszterézis 0,8 V 2V 1V U 0V 1V 2V 3V 4V A 5V 56 56

SCHMITT-TRIGGERES BEMENETŰ INVERTER A Schmitt-trigger bemenetű inverter funkciója nem logikai, hanem áramköri. A Schmitt-trigger áramkör megformálja a bementére érkező jelet, a jelváltozások átmeneteit meredekebbé teszi (felgyorsítás). 57 57

HÁROM ÁLLAPOTÚ (tristate) KIMENET A B V & Q Számos alkalmazási területen lényeges egyszerűsítés érhető el a kapuk kimeneteinek párhuzamosításával, akkor ha egy vezetékre fűzött több kapu közül mindig az egyik logikai állapota kell meghatározza a kimeneti állapotot Ilyenkor buszrendszerről beszélünk. A kapu működését egy V tiltja vagy engedélyezi. Ha V tilt (HIGH), a kiment egy ún. harmadik, nagyimpedanciás állapotba kerül, nem befolyásolja a következő kapu állapotát. 58 58

HÁROMÁLLAPOTÚ (TRI-STATE) KIMENET Tri-State-kimenet: A totem-pole-kimenet módosított változata. Az engedélyező bemenetre adott 0 -szint mindkét kimeneti tranzisztort egyszerre lezárja. X1 X2 L L L H H L H H irreleváns EN H H H H L 59 Y H H H L leválasztva 59

HÁROM ÁLLAPOTÚ KIMENET Normál totem-pole kimenet: nem köthetők össze, tönkremegy! Több kimenet egy vezetékre kapcsolása: háromállapotú (tri-state) kimenetű kapuval. Felhasználás: busz vezeték meghajtása. A buszvezetékre csatlakoztatott tri-state kimenetű áramkörök közül mindig csak egyet szabad engedélyezni, a többi kimenete lebeg, így nem befolyásolják a buszvezeték állapotát, és nem is károsítják egymást. 60 60

3-ÁLLAPOTU KIMENET: ALKALMAZÁS Tri-State kimenetek gyakorlati alkalmazása: Az Open-Collector-os megoldás-hoz képest előnye az, hogy nem kell a kapcsolás változtatásakor a felhúzóellenállást újraméretezni. Hátránya, hogy az összekötött kimenetek közül egyszerre csak az egyik lehet aktív, ez vezérlést igényel (az EN-bemenet). inaktív állapot = nagy-ohmos lezárás (high impedance). 61 61

TRI-STATE KIMENET Példa: 74LS245 Schmitt-triggerbemenet jele DIR= 0 adatút B A DIR= 1 adatút A B G = ENABLE (Tri-State-funkció) G= 1 nagyohmos leválasztás Schmitt-triggeres adatbe-menet: zavarjelelnyomás (Hiszterézis: TTL + 0,4 V) 62 62

TRI-STATE KIMENET μp-adatbusz (kétirányú) 74LS245 egyik jellemző alkalmazása: 8-bites mikroprocesszorbusz és két perifériaegység - A és B összekapcsolása 63 63

TTL GYAKORLAT Egy kapu nem használt bemenetei egy soros ellenálláson keresztül a tápfeszültségre kötendők. Egy tokban lévő nem használt kapuk bemeneteit 0 V-ra vagy a tápfeszültségre célszerű kötni oly módon, hogy a kimenet a magas szinten legyen. 64

TIPIKUS LÁBKIOSZTÁSOK 65 65

IC TOKOZÁS 66 66

ZAJTARTALÉK A egy fokozat legrosszabb esetbeli (worst case) kimenőfeszültsége és a következő fokozat legrosszabb esetbeli bemenő feszültsége közötti különbség (noise margin). Minél nagyobb a zajtartalék, annál nagyobb az a zavarófeszültség, melyet a kimenethez hozzáadva még nem okoz hibás működést. 67 67

STATIKUS ZAJTARTALÉK Kimenet Bemenet 1 zajtartalék 0 zajtartalék 68 68

FAN-OUT Mérőszám, egy kapukimenet azon képességére vonatkozik, hogy milyen mértékben tudja a következő kapuk bemenetét meghajtani. Rendszerint egy áramkörcsaládon belül a megengedett (szabványos) egységterhelések számával mérik. Általában egy inverter-bemenet az egységterhelés. 69 69

TELJESÍTMÉNYFELVÉTEL Statikus: ohmikus veszteségek (passzív komponensek) Dinamikus: a kondenzátoroknak az ellenállásokon keresztül való feltöltésekor illetve kisütésekor keletkező ohmikus veszteség 70 70

TELJESÍTMÉNY-KÉSLELTETÉS SZORZAT Áramkörtípus akkor jó ha kicsi a késleltetése és a teljesítményfelvétele. Jósági szám (figure-of-merit): a két paraméter szorzata (power-delay product). 54/74 típus: tpd = 10 nsec, egy kapura P = 10 mw P tpd = 100 pj Értelmezhető (kb.) mint 1 bit kapcsolásához szükséges energia. 71 71

LOGIC FAMILY TRADEOFF 72 72

VÉGE 73 73