digitális logikai kapuk

A digitális logikai kapuk egynél több bemenettel rendelkezhetnek, például a, B, C, D bemenetek stb., de általában csak egy digitális kimenettel rendelkezik, (Q). Az egyes logikai kapuk lehet csatlakoztatni, vagy cascaded együtt alkotnak egy logikai kapu funkció a kívánt számú bemenet, vagy formában, többszörösen összetett, illetve szekvenciális típusú áramkör, vagy, hogy készítsen különböző logikai kapu funkciók a standard gates.,

a kereskedelemben kapható digitális logikai kapuk két alapvető családban vagy formában kaphatók, a TTL, amely a tranzisztor-tranzisztor logikát jelenti, mint például a 7400 sorozat, valamint a CMOS, amely a kiegészítő fém-oxid-szilícium, amely a 4000 chipek sorozata. Ez a jelölés a TTL vagy CMOS utal, hogy a logikai technológia gyártásához használt integrált áramkör, (IC) vagy a “chip”, ahogy gyakrabban nevezik.,

Általánosságban elmondható, hogy a TTL logic IC NPN és PNP típusú bipoláris csomópont tranzisztorokat használ, míg a CMOS logic IC kiegészítő MOSFET vagy JFET típusú mezőhatású tranzisztorokat használ mind a bemeneti, mind a kimeneti áramkörökhöz.,

a TTL és CMOS technológia mellett egyszerű digitális logikai kapuk is készíthetők diódák, tranzisztorok és ellenállások összekapcsolásával RTL, ellenállás-tranzisztor logikai kapuk, DTL, dióda-tranzisztor logikai kapuk vagy ECL, Emitter-kapcsolt logikai kapuk előállításához, de ezek kevésbé gyakoriak a népszerű CMOS családhoz képest.

integrált áramkörök vagy IC-k, ahogy gyakrabban hívják őket, családokba csoportosíthatók az általuk tartalmazott tranzisztorok vagy “kapuk” száma szerint., Például egy egyszerű, kapu én tartalmaz csak néhány egyedi tranzisztorok, voltak, mint egy bonyolultabb mikroprocesszor tartalmazhat több ezer egyedi tranzisztor kapuk. Az integrált áramköröket a logikai kapuk száma vagy az áramkörök összetettsége szerint osztályozzák egyetlen chipen belül, az egyes kapuk számának általános osztályozásával:

integrált áramkörök osztályozása

• kisléptékű integráció vagy (SSI) – legfeljebb 10 tranzisztort vagy néhány kaput tartalmaznak egyetlen csomagban, például és nem kapukat.,
• közepes méretű integráció vagy (MSI) – 10-100 tranzisztor vagy tíz kapu között egyetlen csomagon belül, és olyan digitális műveleteket hajt végre, mint adderek, dekóderek, számlálók, flip-flopok és multiplexerek.
• nagyméretű integráció vagy (LSI) – 100-1000 tranzisztor vagy több száz kapu között, és speciális digitális műveleteket hajt végre, mint például I/O chipek, memória, aritmetikai és logikai egységek.,
• nagyon-nagy léptékű integráció vagy (VLSI) – 1000-10 000 tranzisztor vagy több ezer kapu között, és számítási műveleteket hajt végre, például processzorokat, nagy memória tömböket és programozható logikai eszközöket.
• Super-Large Scale Integration vagy (SLSI) – 10 000 és 100 000 tranzisztor között egy csomagban, és olyan számítási műveleteket hajt végre, mint a mikroprocesszor chipek, mikrovezérlők, alapvető képek és számológépek.,
• Ultra-Large Scale Integration vagy (ULSI) – több mint 1 millió tranzisztor-a big boys, hogy használják a számítógépek CPU, GPU, video processzorok, mikrovezérlők, FPGA és komplex képek.

míg az” ultra large scale ” ULSI osztályozást kevésbé használják jól, az integráció egy másik szintje, amely az integrált áramkör összetettségét képviseli, röviden System-on-Chip vagy (SOC) néven ismert., Itt az egyes komponensek, mint például a mikroprocesszor, a memória, a perifériák, az I/O logika stb., mind egyetlen szilíciumdarabon készülnek, amely egy teljes elektronikus rendszert képvisel egyetlen chipen belül, szó szerint az “integrált” szót integrált áramkörbe helyezve.

ezeket a komplett integrált chipeket, amelyek akár 100 millió egyedi Szilícium-CMOS tranzisztorkaput is tartalmazhatnak egyetlen csomagban, általában mobiltelefonok, digitális fényképezőgépek, mikrovezérlők, PIC-k és robot típusú alkalmazások használják.,

Moore törvénye

1965-ben Gordon Moore, az Intel corporation társalapítója azt jósolta, hogy “az egyetlen chipen lévő tranzisztorok és ellenállások száma 18 havonta megduplázódik” a félvezető kapu technológia fejlesztésével kapcsolatban. Amikor Gordon Moore 1965-ben elkészítette híres megjegyzését, körülbelül csak 60 egyedi tranzisztorkapu volt egyetlen szilícium chipen vagy szerszámon.

a világ első mikroprocesszora 1971 – ben az Intel 4004 volt, amelynek 4 bites adatbusza volt, és körülbelül 2300 tranzisztort tartalmazott egyetlen chipen, körülbelül 600 kHz-en működve., Ma, az Intel Corporation elhelyezett egy megdöbbentő 1,2 Milliárd egyedi tranzisztor gates-ra az új Quad-core i7-2700K Sandy Bridge 64 bites mikroprocesszor chip operációs közel 4GHz, valamint az on-chip tranzisztor gróf még mindig emelkedik, mint az újabb, gyorsabb processzorok, valamint a mikro-vezérlő fejlett.

Digital Logic States

a digitális logikai kapu az alapvető építőelem, amelyből minden digitális elektronikus áramkör és mikroprocesszor alapú rendszer épül. Az alapvető digitális logikai kapuk a bináris számok logikai műveleteit hajtják végre, vagy nem.,

a digitális logikai tervezésben csak két feszültségszint vagy állapot megengedett, ezeket az állapotokat általában “1” logikának és “0” logikának, vagy magasnak és alacsonynak, vagy igaznak és hamisnak nevezik. Ez a két állapot a logikai algebrában és a standard igazságtáblákban az “1”, illetve “0” bináris számjegyekkel van ábrázolva.

a digitális állapot jó példája egy egyszerű fénykapcsoló. A kapcsoló lehet ” be “vagy” ki”, egyik vagy másik állapot, de nem mindkettő egyszerre.,UE (T)

MAGAS (H) Logikai “0” HAMIS (F) ALACSONY (L)

a Legtöbb digitális logikai kapu a digitális logika rendszerek használata “Pozitív logika”, amely egy logikai szintje “0” vagy “ALACSONY” képviseli nulla feszültség, 0v, vagy földre, majd egy logikai szintje “1” vagy “MAGAS” képvisel nagyobb feszültségű, például a +5 voltot, a kapcsolási feszültség az egyik szintről a másikra, akár egy logikai szintje “0” – “1” – es vagy “1” “0” készül, amilyen gyorsan csak lehetséges, hogy megakadályozza a hibás működés a logikai áramkör.,

létezik egy kiegészítő ” negatív logika “rendszer is, amelyben a” 0 “és az” 1 ” logika értékei és szabályai megfordul, de ebben a digitális logikai kapukról szóló bemutató részben csak a pozitív logikai konvencióra hivatkozunk, mivel ez a leggyakrabban használt.

a standard TTL (tranzisztor-tranzisztor logika) IC-ben van egy előre meghatározott feszültségtartomány a bemeneti és kimeneti feszültség szintekhez, amelyek pontosan meghatározzák, hogy mi az “1” logikai szint, és mi a “0” logikai szint, és ezeket az alábbiakban mutatjuk be.,

TTL bemenet & kimeneti feszültségszint

mind a bipoláris 7400, mind a CMOS 4000 típusú digitális logikai kapuk, mint például a 74lxx, 74lsxxxx, 74l, 74alsxx, 74hcxx, 74hctxx, 74actxx stb, mindegyiknek megvan a maga sajátos előnyei és hátrányai, mint a többi. A “0” vagy “1” logika előállításához szükséges pontos kapcsolási feszültség az adott logikai csoporttól vagy családtól függ.,

normál +5 voltos tápellátás esetén azonban a 2,0 v és 5v közötti TTL feszültségbevitelt “1” vagy “magas” logikának kell tekinteni, míg a 0,8 v alatti feszültségbevitelt “0” vagy “alacsony”logikának kell tekinteni. A két feszültségszint közötti feszültségtartomány bemenetként vagy kimenetként meghatározatlan régiónak nevezhető, és ezen a területen belül működő logikai kapu hamis kimenetet eredményezhet.

a CMOS 4000 logikai család különböző feszültségszinteket használ a TTL típusokhoz képest, mivel azokat mezőhatású tranzisztorokkal vagy FET-ekkel tervezték., A CMOS technológiában az “1” logikai szint 3,0 és 18 Volt között működik, a “0” logikai szint pedig 1,5 Volt alatt van. Ezután az alábbi táblázat mutatja a hagyományos TTL és CMOS logikai kapuk logikai szintjeinek különbségét.

TTL és CMOS logikai szintek

	Logic 0 td>	logic 1
TTL	0 to 0.8 v	2.0 to 5V (VCC)
			0 to 1.5 V	3.,0 18v (VDD)

Akkor a fenti megfigyelések, tudjuk meg az ideális digitális TTL logikai kapu, mint az egyik, hogy van egy “ALACSONY” szintű logikai “0” – t a 0 v (föld) egy “MAGAS” szintű logikai “1” a +5 voltot ez bizonyítható, mint:

Ideális Digitális TTL Logikai Kapu Feszültség Szintek

Ahol a nyitó, vagy záró kapcsoló termel, vagy egy logikai szintje “1” – es vagy egy logikai szintje “0” az ellenállás R, hogy ismert, mint a “pull-up” ellenállás.,

digitális logikai zaj

azonban ezek között a meghatározott magas és alacsony értékek között rejlik az, amit általában “senki földjének” neveznek (a kék terület fent van), és ha egy érték jelfeszültségét alkalmazzuk ezen a senki földterületén, nem tudjuk, hogy a logikai kapu “0” szintként vagy “1” szintként reagál rá, és a kimenet kiszámíthatatlanná válik.,

a Zaj az adott név egy véletlenszerű, nem kívánt feszültség, amely által indukált elektronikus áramkörök által külső beavatkozás, például a közeli kapcsolók, tápfeszültség ingadozása vagy a vezetékek, valamint az egyéb vezetők, hogy a pick-up kóbor elektromágneses sugárzás. Ezután annak érdekében, hogy a logikai kapu ne befolyásolja a zajt, bizonyos mennyiségű zajszintnek vagy zajmentességnek kell lennie.,

Digital Logic Gate Noise Immunity

a fenti példában a zajjel a Vcc tápfeszültségére kerül, és mindaddig, amíg a minimális szint felett marad (VON(min))), a bemenet nem érinti a logikai kapu megfelelő kimenetét. De amikor a zajszint elég nagy lesz, és a zajcsúcs miatt a magas feszültségszint e minimális szint alá csökken, a logikai kapu ezt a tüskét alacsony szintű bemenetként értelmezheti, és ennek megfelelően kapcsolhatja a kimenetet, hamis kimeneti kapcsolást eredményezve., Ezután annak érdekében, hogy a logikai kaput ne befolyásolja a zaj, képesnek kell lennie arra, hogy bizonyos mennyiségű nemkívánatos zajt elviseljen a bemeneten anélkül, hogy megváltoztatná a kimenet állapotát.

Egyszerű, Alapvető Digitális Logikai Kapuk

Egyszerű digitális logikai kapuk lehet kombinálásával tranzisztorok, diódák, ellenállások pedig egy egyszerű példát, egy Dióda-Ellenállás Logika (DRL), MAJD a kapu, egy Dióda-Tranzisztor Logika (DTL) NAND kapu alábbiakban.,

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., Diszkrét alkatrészek, például diódák, ellenállások és tranzisztorok felhasználásával a digitális logikai kapu áramköröket nem használják a kereskedelemben kapható logikai IC-kben, mivel ezek az áramkörök terjedési késleltetést vagy kapu késleltetést szenvednek,valamint a felhúzó ellenállások miatt áramkimaradást is.

a dióda-ellenállás logikájának másik hátránya, hogy nincs “Fan-out” lehetőség, amely egyetlen kimenet azon képessége, hogy a következő szakaszok számos bemenetét meghajtsa. Az ilyen típusú kialakítás nem kapcsol ki teljesen, mivel a “0” logika 0 kimeneti feszültséget eredményez.,6V (dióda feszültségesés), ezért a következő TTL és CMOS áramköri terveket használjuk.

alapvető TTL logikai kapuk

a fenti egyszerű dióda-ellenállás és kapu külön diódákat használ bemeneteihez, mindegyik bemenethez egyet., Mint a bipoláris tranzisztor hatékonyan két dióda csomópontok egymáshoz, képviselő, vagy egy NPN (Negatív-Pozitív-Negatív) eszköz, vagy egy PNP (Pozitív-Negatív-Pozitív) eszköz, a bemeneti diódák a dióda-tranzisztor logika (DTL) áramkör helyettesíthető egyetlen NPN tranzisztor több jeladó bemenetek alkotnak egy másik típusú logikai áramkör úgynevezett tranzisztor-tranzisztor logika, vagy TTL látható.,

Ez az egyszerűsített NAND gate áramkör egy tr1 bemeneti tranzisztorból áll, amelynek két (vagy több) emitter terminálja van, és egyfokozatú invertáló NPN kapcsolási tranzisztor áramköre TR2.

Ha az egyik vagy mindkét kibocsátók a TR1 képviselő bemenet “A” illetve “B” vagy csatlakozó logikai szintje “0” (ALACSONY), az alap aktuális a TR1 áthalad a bázis/kibocsátó junction föld (0V), TR1 telített zsírsavak, valamint a gyűjtő terminál követi., Ez a művelet azt eredményezi, hogy a TR2 alapja a talajhoz (0V) kapcsolódik, így a TR2 “ki”, a Q kimenet pedig magas.

mindkét “a” és “B” bemenettel magas “1” logikai szinten, a tr1 bemeneti tranzisztor kikapcsolja”, a tr2 tranzisztor kapcsolási alapja magas lesz, és” bekapcsolja”, így a Q kimenet alacsony a tranzisztor kapcsolási hatása miatt. A tr1 több kibocsátója bemenetként van csatlakoztatva, így NAND kapu funkciót hoz létre.,

Emitter-Kapcsolt Digitális Logikai Kapu

Emitter Párosított Logika, vagy egyszerűen csak ECL, egy másik típusú digitális logikai kapu, amely a bipoláris tranzisztor logika, ahol a tranzisztorok nem működött, a telítettség régió, ugyanúgy, mint a szabványos digitális TTL logikai kapu. Ehelyett a bemeneti és kimeneti áramkörök a Földhöz képest negatív tápfeszültségű, nyomógombos tranzisztorok.,

Ennek az a hatása, hogy növeli a sebességet, amelynek során a kibocsátó, párosított-logikai kapuk a Gigahertzes tartományban, összehasonlítva a normál TTL típusok, de a zaj nagyobb a hatása az ECL logika, mert a telítetlen tranzisztorok belül működik az aktív régióban a korai, valamint kapcsoló jelek.,

A “74” Sub-család az Integrált Áramkörök

A fejlesztések az áramkör tervezés figyelembe venni terjedési késleltetést, áramfelvétel, fan-a fan-out követelmények stb., az ilyen típusú TTL bipoláris tranzisztor technológia alapja a előtaggal “74” a család a digitális logikai IC-k, mint például a “7400” Quad 2-bemenet NAND kaput, vagy a “7402-t” Quad 2-bemenet, SEM kapu, stb.,

A 74xxx sorozatú IC-k alcsaládjai a kapuk gyártásához használt különböző technológiákkal kapcsolatban állnak rendelkezésre, amelyeket a 74-es jelölés és a készülékszám közötti betűk jelölnek. Számos TTL alcsalád áll rendelkezésre, amelyek a kapcsolási sebesség és az energiafogyasztás széles skáláját biztosítják, mint például a 74L00 vagy a 74ALS00 NAND kapu, az ” L “az” alacsony fogyasztású TTL”, az” ALS “pedig az” Advanced Low-power Schottky TTL ” kifejezést jelenti, és ezek az alábbiakban szerepelnek.,

• * 74xx vagy 74Nxx: Standard TTL – ezek az eszközök a 70-es évek elején bevezetett logikai kapuk eredeti TTL családja.terjedési késésük körülbelül 10ns, energiafogyasztásuk körülbelül 10mW. Tápfeszültség tartomány: 4,75-5,25 volt
• * 74lxx: az alacsony fogyasztású TTL – energiafogyasztást a standard típusoknál javították a belső ellenállások számának növelésével, de a kapcsolási sebesség csökkenésének költségével. Tápfeszültség tartomány: 4,75-5,25 volt
• • 74hxx: a nagy sebességű TTL-kapcsolási sebességet a belső ellenállások számának csökkentésével javították., Ez növelte az energiafogyasztást is. Tápfeszültség tartomány: 4.75-5.25 volt
• • 74sxx: Schottky TTL-Schottky technológiát használják, hogy javítsa a bemeneti impedancia, kapcsolási sebesség és az energiafogyasztás (2MW), mint a 74Lxx és 74Hxx típusok. Tápfeszültség tartomány: 4,75-5,25 volt
• • 74lsxx: alacsony teljesítményű Schottky TTL-ugyanaz, mint a 74Sxx típusok, de megnövekedett belső ellenállásokkal az energiafogyasztás javítása érdekében. Tápfeszültség tartomány: 4,75-5.,25 volt
• • 74ASxx: Advanced Schottky TTL-továbbfejlesztett kialakítás 74sxx Schottky típusok optimalizált növelni kapcsolási sebesség rovására energiafogyasztás mintegy 22mw. Tápfeszültség tartomány: 4,5-5,5 volt
• • 74alsxx: fejlett alacsony teljesítményű Schottky TTL-alacsonyabb energiafogyasztás körülbelül 1MW, magasabb kapcsolási sebesség 4NS képest 74LSxx típusok. Tápfeszültség tartomány: 4,5-5,5 volt
• • 74hcxx: nagy sebességű CMOS-CMOS technológia és tranzisztorok, hogy csökkentse az energiafogyasztást kevesebb, mint 1UA CMOS kompatibilis bemenetek. Tápfeszültség tartomány: 4,5-5.,5 volt
• * 74HCTxx: nagy sebességű CMOS-CMOS technológia és tranzisztorok az 1UA-nál kisebb energiafogyasztás csökkentése érdekében, de a TTL kompatibilis bemenetek miatt körülbelül 16N-es terjedési késleltetéssel rendelkezik. Tápfeszültség tartomány: 4,5-5,5 volt

alapvető CMOS digitális logikai kapu

a TTL digital logic gate sorozat egyik fő hátránya, hogy a logikai kapuk bipoláris Tranzisztoros logikai technológián alapulnak, és mivel a tranzisztorok jelenleg működtetett eszközök, nagy mennyiségű energiát fogyasztanak egy fix +5 voltos tápegységből.,

továbbá, a TTL bipoláris Tranzisztoros kapuk korlátozott működési sebességgel rendelkeznek, amikor “OFF” állapotról “ON” állapotra váltanak, fordítva pedig “kapu” vagy “terjedési késleltetés”. Ezeknek a korlátozásoknak a leküzdéséhez a “CMOS” (komplementer fém-oxid félvezető) logikai kapukat fejlesztették ki, amelyek “térhatású tranzisztorokat” vagy Fet-eket használnak.,

Mivel ezek a kapuk mindkét O-csatorna, valamint az N-csatornás MOSFET van, mint a beviteli eszköz, a nyugalmi körülmények között nem váltás, a fogyasztás, a CMOS kapuk szinte nulla, (1 2µA) így ideális kis teljesítményű akkumulátor áramkör, valamint a kapcsolási sebesség felfelé 100MHz használatra magas frekvenciájú időzítés, valamint számítógépes áramkörök.,

Ez az alapvető CMOS gate példa három N-csatornás, normál kikapcsolású MOSFET-t tartalmaz, mindegyik fet1-ből és FET2-ből álló bemenethez egyet, valamint egy további kapcsolási MOSFET, FET3, amely állandóan” be ” van kapcsolva a kapuján keresztül.

Ha az egyik vagy mindkét “a” és “B” bemenet “0” logikai szintre van földelve, akkor a megfelelő MOSFET, FET1 vagy FET2 bemenet ki van kapcsolva, ami “1” (magas) kimeneti állapotot eredményez a fet3 forráskapcsából.,

Csak akkor, ha mindkét bemenet “A” illetve “B” tartják MAGAS logikai szintje “1”, nem aktuális áramlását a megfelelő MOSFET váltás az “A” termelő kimeneti állam a Q egyenértékű egy logikai szintje “0”, mint mind a mosfet-ek, FET1, valamint FET2 folytat. Ezért termelő a kapcsolási művelet képviselője NAND kapu funkció.

az áramkör kialakításának a kapcsolási sebesség, az alacsony energiafogyasztás és a jobb terjedési késleltetés tekintetében történő javulása azt eredményezte, hogy a logic IC szabványos CMOS 4000 “CD” családját fejlesztették ki, amelyek kiegészítik a TTL tartományt.,

mint a hagyományos TTL digitális logikai kapuk esetében, az összes főbb digitális logikai kapuk és eszközök elérhetők a CMOS csomagban, mint például a CD4011, a Quad 2-input NAND gate, vagy a CD4001, a Quad 2-input vagy a kapu az összes alcsaláddal együtt.

a TTL logikához hasonlóan a kiegészítő mos (CMOS) áramkörök kihasználják azt a tényt, hogy mind az N-csatornás, mind a P-csatornás eszközök ugyanazon hordozóanyagon összeállíthatók különböző logikai funkciók kialakításához.,

az IC-k CMOS-tartományának egyik fő hátránya az egyenértékű TTL-típusokhoz képest, hogy a statikus elektromosság könnyen megsérül. A TTL logikai kapukkal ellentétben, amelyek mind a bemeneti, mind a kimeneti szintjükön egy +5V feszültséggel működnek, a CMOS digitális logikai kapuk egyetlen +3 és +18 V közötti tápfeszültségen működnek.

a közös CMOS alcsaládok a következők:

• * 4000B sorozat: Standard CMOS-ezek az eszközök a 70-es évek elején bevezetett logikai kapuk eredeti pufferelt CMOS családja, amelyek 3,0-18V d.c tápfeszültségről működnek.,
• * 74C sorozat: 5v CMOS – ezek az eszközök pin-kompatibilisek a standard 5V TTL eszközökkel, mivel logikai kapcsolásuk CMOS-ban történik, de TTL-kompatibilis bemenetekkel. Működnek a tápfeszültség a 3.0 18v d.c.

Megjegyezzük, hogy a CMOS logikai kapuk, eszközök, statikus érzékeny, így mindig a megfelelő óvintézkedések dolgozik antisztatikus szőnyeg vagy földelt workbenches, rajta egy antisztatikus csuklópánt, nem pedig eltávolítása egy része a antisztatikus csomagolásban, amíg szükséges.,

A digitális logikai kapukról szóló következő bemutatóban a TTL és CMOS logikai áramkörökben használt digitális logikai és kapu funkciót, valamint logikai Algebra definícióját és igazságtáblázatait tekintjük meg.