Digital Logic Gates (Čeština)

Digital logic gates může mít více než jeden vstup, například vstupy a, B, C, D atd., ale obecně mají pouze jeden digitální výstup, (Q). Jednotlivé logické obvody mohou být připojeny nebo navrstvit společně tvoří logický člen funkce s libovolným počtem vstupů, nebo formou kombinační a sekvenční typ obvodů, nebo k výrobě ruznych logická brána funkce ze standardní brány.,

Standardní komerčně dostupné digitální logic gates jsou k dispozici ve dvou základních rodin nebo formy, TTL, což je zkratka pro Tranzistor-Tranzistor Logic jako 7400 series, a CMOS, což je zkratka pro Doplňující se Kov-Oxid-Křemík, což je série 4000 žetonů. Tato notace TTL nebo CMOS odkazuje na logickou technologii používanou k výrobě integrovaného obvodu (IC) nebo“ čipu“, jak se běžně nazývá.,

Obecně řečeno, TTL logika IC použití NPN a PNP typ Bipolární plošné Tranzistory, zatímco CMOS logiku IC je použití komplementárních MOSFET nebo JFET typu Field Effect Tranzistory pro oba jejich vstupní a výstupní obvody.,

stejně Jako TTL a CMOS technologie, jednoduché digitální logic gates může být také tím, spojující dohromady diod, tranzistorů a rezistorů na výrobu RTL, Resistor-Transistor logic gates, DTL, Diode-Transistor logic gates nebo ECL, Emitter-Coupled logic gates, ale ty jsou méně časté, nyní ve srovnání s populární CMOS rodiny.

integrované obvody nebo IC, jak se běžně nazývají, lze seskupit do rodin podle počtu tranzistorů nebo“ bran“, které obsahují., Například, jednoduchý A brány můj obsahují pouze několik jednotlivých tranzistorů, byly jako složitější mikroprocesor může obsahovat mnoho tisíc jednotlivých tranzistor brány. Integrované obvody jsou rozděleny do kategorií podle počtu hradel nebo složitost obvodů do jednoho čipu s klasifikace pro počet jednotlivých bran dána jako:

Klasifikace Integrovaných Obvodů

• Malé Měřítko Integrace, nebo (SSI) – Obsahují až 10 tranzistory nebo několik bran v rámci jednoho balíčku, jako jsou A, NEBO, NE brány.,
• Střední Měřítko Integrace, nebo (MSI) – mezi 10 a 100 tranzistorů nebo desítky brány v rámci jednoho balíčku a proveďte digitální operace, jako jsou sčítačky, dekodéry, čítače, klopné obvody a multiplexory.
• integrace ve velkém měřítku nebo (LSI) – mezi 100 a 1 000 tranzistory nebo stovkami bran a provádět specifické digitální operace, jako jsou i/o čipy, paměť, aritmetické a logické jednotky.,
• Velmi Rozsáhlé Integrace, nebo (VLSI) – mezi 1000 a 10 000 tranzistorů nebo tisíce bran a provádět výpočetní operace, jako jsou procesory, velkou paměť polí a programovatelných zařízení.
• Super-Velkém Měřítku, Integrace nebo (SLSI) – mezi 10 000 a 100 000 tranzistorů v jednom balíčku a provádět výpočetní operace, jako jsou mikroprocesorové čipy, mikro-řadiče, základní Obrázky a kalkulačky.,
• ultra-large scale Integration or (ULSI) – více než 1 milion tranzistorů-velké chlapce, které se používají v počítačích CPU, GPU, video procesory, mikro-řadiče, FPGA a složité obrázky.

zatímco klasifikace ULSI „ultra large scale“ je méně dobře používána, další úroveň integrace, která představuje složitost integrovaného obvodu, je známá jako systém na čipu nebo (SOC) zkráceně., Zde jednotlivé komponenty, jako je mikroprocesor, paměť, periferie, I/O logiky, atd, všechny jsou vyráběné na jednom kusu křemíku, a které představuje celý elektronický systém, v rámci jednoho čipu, doslova dávat slovo „integrovaný“ do integrovaného obvodu.

Tyto kompletní integrované čipy, které mohou obsahovat až 100 milionů jednotlivých silicon-CMOS tranzistor gates v jednom balení se obvykle používá v mobilní telefony, digitální fotoaparáty, mikro-řadiče, PIC a robotické aplikace typu.,

moorův Zákon

V roce 1965, Gordon Moore, spoluzakladatel společnosti Intel corporation předpověděl, že „počet tranzistorů a rezistorů na jednom čipu se zdvojnásobí každých 18 měsíců“, pokud jde o vývoj polovodičové technologie brány. Když Gordon Moore dělal jeho slavný komentář cestu zpět v 1965 tam bylo přibližně jen 60 jednotlivé tranzistorové brány na jednom křemíku čipu nebo zemřít.

světově první mikroprocesor v roce 1971 byl Intel 4004, který měl 4-bitové datové sběrnice a obsahuje asi 2300 tranzistorů na jeden čip, operační zhruba 600kHz., Dnes, Intel Corporation umístili neuvěřitelných 1,2 Miliardy jednotlivé tranzistorové brány na jeho nové Quad-core i7-2700K Sandy Bridge 64-bit mikroprocesor čip pracující na skoro 4GHz, a na čipu tranzistoru počet stále roste, stejně jako novější rychlejší mikroprocesory a mikrokontroléry jsou vyvíjeny.

stavy digitální logiky

digitální logická brána je základním stavebním kamenem, ze kterého jsou konstruovány všechny digitální elektronické obvody a mikroprocesorové systémy. Základní digitální logické brány provádějí logické operace a nebo ne na binárních číslech.,

v návrhu digitální logiky jsou povoleny pouze dvě úrovně napětí nebo stavy a tyto stavy jsou obecně označovány jako logika “ 1 „a logika“ 0″, nebo vysoké a nízké, nebo pravdivé a nepravdivé. Tyto dva stavy jsou reprezentovány v Booleovské algebře a standardních pravdivých tabulkách binárními číslicemi “ 1 “ a „0“.

dobrým příkladem digitálního stavu je jednoduchý spínač světla. Přepínač může být buď „zapnutý“ nebo „vypnutý“, jeden nebo druhý, ale ne oba současně.,UE (T)

HIGH (H) Logické „0“ FALSE (F) LOW (L)

Většina digitální logic gates i, digitální logic systémy používají „Pozitivní logika“, ve které logické úrovni „0“ nebo „LOW“, je reprezentován nulové napětí, 0v nebo na zem a logická úroveň „1“ nebo „HIGH“ je zastoupen vyšší napětí, např. +5 voltů, s přechodem z jedné napěťové úrovně na druhou, z logické úrovně „0“ na „1“ nebo „1“ do „0“ tak rychle, jak je to možné, aby se zabránilo jakékoli vadné činnosti logických obvodů.,

existuje také komplementární „Negativní Logika“ systému, ve kterém hodnoty a pravidla logické „0“ a logická „1“ jsou obrácené, ale v tomto tutoriálu sekci o digitální logic gates jsme se pouze odkazovat na pozitivní logiku úmluvy, jak to je nejvíce běžně používané.

ve standardní TTL (tranzistor-tranzistorová logika) IC je předem definovaný rozsah napětí pro úrovně vstupního a výstupního napětí, které přesně definují, co je logická úroveň „1“ a jaká je logická úroveň „0“ a ty jsou uvedeny níže.,

TTL Vstup & Výstupní Napětí Úrovně

Existuje velké množství logických hradel typy v obou bipolární 7400 a CMOS 4000 rodiny digitálních logických hradel, jako 74Lxx, 74LSxx, 74ALSxx, 74HCxx, 74HCTxx, 74ACTxx atd, s každým z nich má své vlastní odlišné výhody a nevýhody ve srovnání s ostatními. Přesné Spínací napětí potřebné k vytvoření logiky “ 0 „nebo logiky“ 1 “ závisí na konkrétní logické skupině nebo rodině.,

Nicméně, při použití standardní +5 volt napájení žádné TTL vstup napětí mezi 2.0 v a 5v je považován za logickou „1“ nebo „HIGH“, zatímco jakékoli vstupní napětí pod 0,8 v je uznávána jako logická „0“ nebo „LOW“. Napětí v regionu mezi tyto dvě úrovně napětí, a to buď jako vstupní nebo jako výstupní, se nazývá Neurčitý Regionu a působící v této oblasti může způsobit, že logic gate produkovat falešné výstup.

logická rodina CMOS 4000 používá různé úrovně napětí ve srovnání s typy TTL, protože jsou navrženy pomocí tranzistorů s efektem pole nebo FET., V technologii CMOS pracuje logická úroveň „1 „mezi 3,0 a 18 volty a logická úroveň“ 0 “ je nižší než 1,5 voltů. Následující tabulka ukazuje rozdíl mezi logickými úrovněmi tradičních logických bran TTL a CMOS.

TTL a CMOS Logiku Úrovně

Typ Zařízení	Logická 0	Logika 1
TTL	0 až 0,8 v	2.0 5v (VCC)
CMOS	0 1,5 v	3.,0 až 18v (VDD)

Pak z výše uvedených pozorování můžeme definovat ideální TTL digitální logických hradel, jako ten, který má „NÍZKÉ“ úrovni logické „0“ z 0 v (zem) a „VYSOKOU“ úroveň logické „1“ +5 voltů, a to může být prokázán, například:

Ideální TTL Digitální Logických hradel Napěťové Úrovně

pokud otevírání nebo zavírání spínače produkuje buď logická úroveň „1“ nebo logické úrovně „0“ s odporem R je známý jako „pull-up“ rezistoru.,

Digitální Logiky Hluku

Nicméně, mezi těmito definovanými VYSOKÉ a NÍZKÉ hodnoty leží to, co je obecně nazýváno „no-man ‚s land“ (modrá plocha je výše) a pokud budeme aplikovat signální napětí o hodnotě v ne-země muže oblast nevíme, zda logika gate bude reagovat na to, jak úroveň „0“, nebo jako úroveň „1“ a výstup bude stát nepředvídatelné.,

Hluk je jméno dané náhodné a nechtěné napětí, které se indukuje do elektronické obvody externích rušení, jako například z okolních přepínače, napájení výkyvy nebo z drátů a další vodiče, které pick-up toulavých elektromagnetické záření. Pak, aby logická brána nebyla ovlivněna hlukem, musí mít určité množství hlukové marže nebo odolnosti proti hluku.,

Digitální Logických hradel Odolnost proti rušení

V příkladu výše, hluk, signál je superponovaný na Vcc napájecí napětí a tak dlouho, jak to zůstává nad minimální úroveň (VON(min)) vstup odpovídající výstupu z logických hradel jsou nedotčeny. Když se ale hladina hluku se stává dostatečně velký a hluk spike způsobuje VYSOKOU úroveň napětí klesnout pod tuto minimální úroveň, logická brána může interpretovat to špice jako NÍZKOU úroveň vstup a přepínat výstup odpovídajícím způsobem produkovat falešné spínací výstup., Aby logická brána nebyla ovlivněna hlukem, musí být schopna tolerovat určité množství nežádoucího šumu na svém vstupu bez změny stavu jeho výstupu.

Jednoduché Základní Digitální Logic Gates

Jednoduchý digitální logická hradla mohou být vyrobeny tím, že kombinuje tranzistorů, diod a rezistorů s jednoduchým příkladem Dioda-Odpor Logiky (DRL) A gate a Diode-Transistor Logic (DTL) NAND gate uvedeny níže.,

Diode-Resistor Circuit	Diode-Transistor circuit
2-input AND Gate	2-input NAND Gate

The simple 2-input Diode-Resistor AND gate can be converted into a NAND gate by the addition of a single transistor inverting (NOT) stage., Pomocí diskrétních součástek, jako jsou diody, odpory a tranzistory, aby se digitální logických hradel obvodů jsou použity v praktické komerčně dostupné logiku IC je, jak tyto obvody trpí propagation delay nebo brány, zpoždění a také ztráta energie v důsledku pull-up rezistory.

Další nevýhodou diodově rezistorové logiky je to, že neexistuje žádné zařízení“ Fan-out“, což je schopnost jediného výstupu řídit mnoho vstupů dalších fází. Také tento typ konstrukce se úplně nevypne, protože logika “ 0 “ vytváří výstupní napětí 0.,6V (pokles napětí diody), takže se místo toho používají následující návrhy obvodů TTL a CMOS.

základní TTL logická vrata

jednoduchý diodový rezistor a Brána výše používá pro své vstupy samostatné diody, jeden pro každý vstup., Jako bipolární tranzistor je ve skutečnosti dvě diody uzly spojeny dohromady, což představuje buď NPN (Negativní-Pozitivní-Negativní) zařízení nebo PNP (Pozitivní-Negativní-Pozitivní) zařízení, vstupní diody diody-tranzistory logikou (DTL), obvod, může být nahrazen jeden NPN tranzistor s více vysílač vstupy tvoří další typ logický obvod nazývá tranzistor-tranzistorová logika TTL, jak je znázorněno.,

Tento zjednodušený NAND hradla se skládá ze vstupní tranzistor, TR1, který má dvě (nebo více) vysílač terminály a jednu fázi invertující NPN spínací tranzistor obvodu TR2.

Když se jeden nebo oba zářiče TR1 představující vstupy „a“ a „B“ jsou napojeny na logické úrovni „0“ (LOW), základní proud TR1 prochází jeho báze/emitor křižovatce k zemi (0V), TR1 nasycených mastných kyselin a jeho sběratel terminálu následující., Tato akce má za následek, že se základna TR2 připojí k zemi (0V), proto je TR2 „vypnutý“ a výstup v Q je vysoký.

S oběma vstupy „a“ a „B“ na VYSOKÉ logické úrovni „1“, vstupní tranzistor TR1 otočí „OFF“, základna spínací tranzistor TR2 se stává VYSOKÉ a otočí se to, „NA“, takže výstup na Q je NÍZKÁ vzhledem k přepínání akce tranzistoru. Vícenásobné zářiče TR1 jsou připojeny jako vstupy a vytvářejí tak funkci NAND gate.,

Emitor Spojený Digitální Logických hradel

Emitor Coupled Logic nebo prostě ECL, je další typ digitální logických hradel, která využívá bipolární tranzistor logic, kde jsou tranzistory, které nejsou provozovány v saturační oblasti, jako jsou standardní TTL digitální logických hradel. Místo toho jsou vstupní a výstupní obvody push-pull připojené tranzistory se záporným napájecím napětím vzhledem k zemi.,

To má za následek zvýšení rychlosti provozu emitor coupled logic brány až k Gigahertz rozsahu ve srovnání se standardní TTL typy, ale šum má větší účinek v ECL logice, protože nenasycené tranzistory pracují v rámci své aktivní oblast a zesílit stejně jako přepínač signálů.,

„74“ Sub-rodin Integrovaných Obvodů

vylepšení v obvodu vzít v úvahu šíření zpoždění, aktuální spotřeba, fan-in a fan-out požadavky, atd, tento typ TTL bipolární tranzistor technologie tvoří základ předponou „74“ rodina digitálních logické obvody, jako je například „7400“ Quad 2-input NAND gate, nebo „7402“ Quad 2-input NOR gate, etc.,

Sub-rodiny 74xxx série IC je k dispozici týkajících se jednotlivých technologií používaných pro výrobu bran a jsou označeny písmeny mezi 74 označení a číslo zařízení. Existuje řada TTL sub-rodiny k dispozici, které poskytují širokou škálu přepínání rychlosti a spotřeby energie jako 74L00 nebo 74ALS00 NAND brány, byla „L“ je zkratka pro „Low-power TTL“ a „ALS“ je zkratka pro „Advanced Low power Schottky TTL“ a tyto jsou uvedeny níže.,

• • 74xx nebo 74Nxx: Standardní TTL – Tato zařízení jsou původní TTL rodiny logic gates představil na počátku 70. let. Mají šíření zpoždění o 10ns a spotřeba elektrické energie o výkonu 10 mw. Rozsah napájecího napětí: 4,75 až 5,25 voltů
• • 74Lxx: Low Power TTL – spotřeba Energie byl lepší než standardní typy zvýšením počtu vnitřní odpory, ale za cenu snížení rychlosti spínání. Rozsah napájecího napětí: 4,75 až 5,25 voltů
• * 74Hxx: vysokorychlostní TTL-spínací rychlost byla zlepšena snížením počtu vnitřních odporů., To také zvýšilo spotřebu energie. Rozsah napájecího napětí: 4,75 až 5,25 voltů
• • 74Sxx: Schottkyho TTL – Schottkyho technologie se používá pro zlepšení vstupní impedance, spínací rychlost a spotřeba energie (2 mw) ve srovnání s 74Lxx a 74Hxx typy. Rozsah napájecího napětí: 4,75 až 5,25 voltů
• • 74lsxx: nízký výkon Schottky TTL – stejný jako typy 74sxx, ale se zvýšenými vnitřními odpory ke zlepšení spotřeby energie. Rozsah napájecího napětí: 4,75 až 5.,25 voltů
• * 74asxx: Advanced Schottky TTL-vylepšený design přes typy 74sxx Schottky optimalizovaný pro zvýšení rychlosti přepínání na úkor spotřeby energie asi 22mw. Rozsah napájecího napětí: 4,5 až 5,5 voltů
• • 74ALSxx: Advanced Low Power Schottky TTL – Nižší spotřeba energie o 1mW a vyšší spínací rychlost 4nS ve srovnání s 74LSxx typy. Rozsah napájecího napětí: 4,5 až 5,5 voltů
• • 74HCxx: vysokorychlostní technologie CMOS – CMOS a tranzistory ke snížení spotřeby energie o méně než 1uA se vstupy kompatibilními s CMOS. Rozsah napájecího napětí: 4,5 až 5.,5 voltů
• * 74hctxx: vysokorychlostní technologie CMOS-CMOS a tranzistory ke snížení spotřeby energie o méně než 1uA, ale díky vstupům kompatibilním s TTL má zvýšené zpoždění šíření asi 16ns. Rozsah napájecího napětí: 4,5 až 5,5 voltů

Základní CMOS Digitální Logických hradel

Jednou z hlavních nevýhod s TTL digitálních logických hradel řady je, že logika vrata jsou založena na bipolární tranzistor logic technologie, a jako jsou tranzistory stávající provozované zařízení, které spotřebovávají velké množství energie z pevné +5 v napájení.,

bipolární tranzistorové brány TTL mají také omezenou provozní rychlost při přepínání ze stavu “ OFF „do stavu“ ON „a naopak nazývané“ brána „nebo“zpoždění šíření“. K překonání těchto omezení byly vyvinuty komplementární MOS zvané „CMOS“ (komplementární polovodičový oxid kovu) logické brány, které používají „tranzistory s efektem pole“ nebo FET.,

Jako tyto brány použít obě P-kanál N-kanál MOSFET je jako jejich vstupní zařízení, na klidový podmínky, žádné přepínání, spotřeba CMOS gates je téměř nulová, (1 2µA), což je ideální pro použití v low-power baterie okruhů a s přepínáním rychlostí až 100MHz pro použití ve vysoké frekvenci, načasování a obvody počítače.,

Tento základní CMOS gate příklad obsahuje tři N-kanál normálně-off příslušenství MOSFET, jeden pro každý vstup se skládá z FET1 a FET2, a další spínací MOSFET, FET3, která je neobjektivní permantly „NA“ přes jeho bránu.

Když se jeden nebo oba vstupy „a“ a „B“ jsou založeny na logické úrovni „0“, odpovídající vstupní MOSFET, FET1 nebo FET2 jsou zapnutý „OFF“ produkující logické „1“ (HIGH) výstupní stav z výchozího terminálu FET3.,

Pouze tehdy, když oba vstupy „a“ a „B“ se konala na VYSOKÉ logické úrovni „1“, průtok proudu přes MOSFET odpovídající přepnutí „NA“ produkovat výstupní stav na Q odpovídající logické úrovni „0“, jak oba MOSFETY, FET1 a FET2 provádějí. Proto vytváří zástupce spínací akce funkce NAND gate.

zlepšení konstrukce obvodu s ohledem na rychlost přepínání, nízkou spotřebu energie a zlepšené zpoždění šíření vedlo k vývoji standardní rodiny logických IC CMOS 4000 „CD“, která doplňuje řadu TTL.,

stejně Jako u standardní TTL digitální logic gates, všechny hlavní digitální logic gates a zařízení jsou k dispozici v CMOS balíček jako CD4011, Quad 2-input NAND gate, nebo CD4001, Quad 2-input NOR gate spolu s jejich podskupin.

Jako logiky TTL, komplementární MOS (CMOS) obvody využít skutečnosti, že obě N-kanál a P-kanálový zařízení mohou být vyrobeny společně na stejném substrátu tvořit různé logické funkce.,

Jedním z hlavních nevýhodou s CMOS rozsah IC je ve srovnání s jejich ekvivalent TTL typy je, že jsou snadno poškozeny statickou elektřinou. Také na rozdíl od logických bran TTL, které pracují na jedno + 5V napětí pro jejich vstupní i výstupní úrovně, digitální logická vrata CMOS pracují na jediném napájecím napětí mezi +3 a +18 volty.

Společné CMOS Sub-rodiny patří:

• • 4000B Série: Standard CMOS – Tato zařízení jsou původní Vyrovnávací paměti CMOS rodiny logic gates představil na počátku 70. let a pracovat od napájecího napětí 18v 3.0 d.c.,
• • řada 74C: 5V CMOS – tato zařízení jsou kompatibilní se standardními zařízeními 5V TTL, protože jejich logické přepínání je implementováno v CMOS,ale se vstupy kompatibilními s TTL. Působí od napájecího napětí 18v 3.0 d.c.

Všimněte si, že CMOS logické obvody a zařízení jsou statické citlivé, takže vždy přijmout vhodná opatření pracovat na antistatické rohože nebo uzemněný pracovní stoly, nosit antistatický náramek a odstranění součástí z jeho antistatického obalu, dokud zapotřebí.,

V dalším tutoriálu o digitálních logických branách se podíváme na funkci digitální logiky a brány, která se používá jak v logických obvodech TTL, tak CMOS, stejně jako v tabulkách definice booleovské algebry a pravdy.