Digitale Logiske Porter

Digitale logiske porter kan ha mer enn én inngang, for eksempel, innganger A, B, C, D osv. men generelt bare ha en digital utgang (Q). Enkelte logiske porter kan være tilkoblet eller cascaded sammen for å danne en logisk port-funksjonen med en ønsket antall av-innganger, eller å danne kombinatorisk og sekvensiell skriv kretser, eller for å produsere avviker logikk gate funksjoner fra standard porter.,

Standard kommersielt tilgjengelige digitale logiske porter er tilgjengelig i to grunnleggende familier eller former, TTL som står for Transistor-Transistor Logikk som 7400-serien, og CMOS-som står for Complementary Metal-Oxide-Silicon som er 4000-serien av chips. Denne notasjonen av TTL-eller CMOS-refererer til den logiske teknologien som brukes til å produsere integrert krets (IC) eller en «chip» som det er mer vanlig kalt.,

Generelt sett, TTL logikk IC bruk NPN-og PNP-type Bipolar Junction Transistorer mens CMOS logikk IC bruk utfyllende MOSFET eller JFET-type Felt-Effekt Transistorer for både input og output kretsene.,

, Så vel som TTL og CMOS-teknologi, enkle digitale logiske porter kan også gjøres ved å koble sammen dioder, transistorer og motstander til å produsere RTL, Motstand-Transistor logikk gates, DTL, Diode-Transistor logikk gates eller ECL, Emitter-Kombinert logiske porter, men disse er mindre vanlig nå i forhold til den populære CMOS-familien.

Integrerte Kretser eller IC-er som de er mer ofte kalles, kan være gruppert sammen til familier i henhold til antall transistorer eller «porter» som de inneholder., For eksempel, en enkel OG gate min inneholder bare noen få individuelle transistorer, som var en mer kompleks mikroprosessor kan inneholde mange tusen individuelle transistor gates. Integrerte kretser som er kategorisert i henhold til antall logiske porter eller kompleksiteten i de kretser innenfor en enkelt brikke med den generelle standard for antall individuelle gates gitt som:

Klassifisering av Integrerte Kretser

• Liten Skala Integrering eller (SSI) – Inneholder opp til 10 transistorer eller noen få porter i en enkelt pakke som OG, ELLER, IKKE-porter.,
• Medium Skala Integrering eller (MSI) – mellom 10 og 100 transistorer eller titalls gates i en enkelt pakke og utføre digitale operasjoner som adders, dekodere, tellere, flip-flops og multipleksere.
• storskala Integrasjon eller (LSI) – mellom 100 og 1 000 transistorer eller hundrevis av porter og utføre bestemte digitale operasjoner som for eksempel I/O chips, minne, aritmetiske og logiske enheter.,
• Meget Stor Skala Integrering eller (VLSI) – mellom 1 000 og 10 000 transistorer eller tusenvis av porter og utføre computational operasjoner som prosessorer, stort minne matriser og programmerbare logiske enheter.
• Super-storskala Integrasjon eller (SLSI) – mellom 10 000 og 100 000 transistorer i en enkelt pakke og utføre computational operasjoner som mikroprosessor chips, micro-kontrollerne, grunnleggende PICs og kalkulatorer.,
• Ultra-storskala Integrasjon eller (ULSI) – mer enn 1 millioner transistorer – de store guttene som brukes i datamaskiner Cpu, Gpu-er, video-prosessorer, micro-kontrollerne, FPGAs og komplekse Bilder.

Mens «ultra large scale» ULSI klassifisering er mindre godt brukt, annen grad av integrasjon som representerer kompleksiteten av Integrert Krets, som er kjent som System-on-Chip eller (SOC) for kort., Her er de enkelte komponenter som prosessor, minne, periferiutstyr, I/O logikk osv, er alle produsert på en enkelt brikke av silisium og som representerer et helt elektronisk system innenfor en enkelt brikke, bokstavelig talt å sette ordet «integrert» i integrerte kretsen.

Disse komplett, integrert chips som kan inneholde opp til 100 millioner individuelle silicon-CMOS-transistor gates i en enkelt pakke er vanligvis brukt i mobiltelefoner, digitale kameraer, micro-kontrollerne, bileder og robot type programmer.,

Moore ‘ s Law

I 1965, Gordon Moore co-grunnlegger av Intel corporation spådd at «antall transistorer og motstander på en enkelt brikke dobles hver 18 måneder» om utviklingen av halvledere gate teknologi. Når Gordon Moore gjorde sin berømte kommentar vei tilbake i 1965 var det bare ca 60 individ transistor gates på en enkelt silisium chip eller dø.

verdens første mikroprosessoren i 1971 var det Intel 4004 som hadde en 4-bits databuss og inneholdt om for 2300 transistorer på en enkelt brikke, opererer på om 600kHz., I dag, Intel Corporation har plassert en svimlende 1,2 Milliarder individuelle transistor-portene på de nye Quad-core i7 2700K Sandy Bridge 64-biters prosessor chip driftsresultat på nesten 4GHz, og on-chip transistor teller er fortsatt stigende, som nyere raskere mikroprosessorer og micro-kontrollerne er utviklet.

Digital Logikk Stater

Digital Logikk Gate er den grunnleggende byggesteinen som alle digitale elektroniske kretser og mikroprosessor basert systemer er bygget opp av. Grunnleggende digitale logiske porter utføre logiske operasjoner til OG, ELLER og IKKE på binære tall.,

I digital logikk design bare to spenningsnivåer eller stater er tillatt, og disse landene er vanligvis referert til som Logikk «1» og Logikk «0», eller HØY og LAV, eller SANT og USANT. Disse to statene er representert i Boolsk Algebra og standard sannheten tabeller av de binære sifrene i «1» og «0» henholdsvis.

Et godt eksempel på en digital tilstand er en enkel lys-bryteren. Bryteren kan enten være «PÅ» eller «AV», en stat eller den andre, men ikke begge samtidig.,UE (T)

HØY (H) Logisk «0» USANN (F) LAV (L)

de Fleste digitale logiske porter og digital logikk systemer bruker «Positiv logikk», der en logikk nivå «0» eller «LAV» er representert ved en null spenning, 0v eller bakken, og en logikk nivå «1» eller «HØY» er representert ved en høyere spenning for eksempel +5 volt, med bytter fra en spenningsnivå til den andre, enten fra en logikk nivå «0» til «1» eller en «1» til «0» blir gjort så raskt som mulig for å hindre feil bruk av logikk-krets.,

Det finnes også en utfyllende «Negativ Logikk» – system der verdier og regler for en logikk «0» og en logikk «1» er reversert, men i denne opplæringen delen om digitale logiske porter skal vi bare se de positive logikk-konvensjonen som det er den mest brukte.

I standard TTL (transistor-transistor logikk) IC er at det er en pre-definert spenningsområde for inngang og utgang spenning nivåer som definerer hva som er en logikk «1» – nivå og hva som er en logisk «0» – nivå, og disse er vist nedenfor.,

TTL-Inngang & utgangsspenning Nivåer

Det finnes et stort utvalg av logikk gate typer i både bipolar 7400 og CMOS-4000 familier av digitale logiske porter som 74Lxx, 74LSxx, 74ALSxx, 74HCxx, 74HCTxx, 74ACTxx etc, med hver og en har sin egen distinkte fordeler og ulemper i forhold til andre. Den eksakte kontaktstrøm som kreves for å produsere enten en logikk «0» eller en logikk «1», avhenger av den spesifikke logikk gruppe eller familie.,

Imidlertid, når du bruker en standard +5 volt levere noen TTL-spenning inn mellom 2,0 v og 5v er ansett for å være en logikk «1» eller «HØY» mens noen spenning inn under 0.8 v er anerkjent som en logisk «0» eller «LAV». Spenningen i regionen mellom disse to spenningsnivåer enten som inngangs-eller som en utgang kalles det Ubestemte Regionen og som opererer innenfor dette området kan føre til at logikk gate for å produsere en falsk utgang.

CMOS-4000 logikk familien bruker ulike nivåer av spenninger i forhold til TTL-typer som de er utformet ved hjelp av felt-effekt transistorer, eller FET er., I CMOS-teknologi en logikk «1» nivå opererer mellom 3,0 og 18 volt og en logikk «0» – nivå er under 1.5 volt. Deretter tabellen nedenfor viser forskjellen mellom logikk nivåer av tradisjonelle TTL og CMOS-logiske porter.

TTL og CMOS Logikk Nivåer

Enhet Type	Logikk 0	Logikk 1
TTL	0 0.8 v	2.0 til 5v (VCC)
CMOS	0 til 1,5 v	3.,0 til 18v (VDD)

Deretter fra over observasjoner, kan vi definere det ideelle TTL digital logikk gate som en som har et «LAVT» nivå logikk «0» 0 volt (bakken) og et «HØYT» nivå logikk «1» av +5 volt, og dette kan bli vist som:

Ideelle TTL Digital Logikk Gate spenningsnivåer

Hvor åpning eller lukking av bryteren produserer enten en logikk nivå «1» eller en logikk nivå «0» med motstanden R er kjent som en «pull-up» motstand.,

Digital Logikk Støy

Imidlertid mellom disse er definert HØYE og LAVE verdier ligger hva er vanligvis kalt en «no-man ‘s land» (det blå området er ovenfor), og hvis vi bruker et signal spenning av en verdi i dette no-man ‘ s land, et område vi vet ikke om logikk gate vil reagere på det som et nivå «0» eller som et nivå «1», og resultatet vil bli uforutsigbar.,

Støy er navnet gitt til en tilfeldig og uønskede spenning som er indusert i elektroniske kretser av ytre forstyrrelser, som for eksempel fra nærliggende brytere, strømforsyning svingninger eller fra ledninger og andre ledere som å plukke opp løse elektromagnetisk stråling. Så for en logisk port for ikke å bli påvirket av støy i må ha en viss mengde støy margin eller støy immunitet.,

Digital Logikk Gate Støy Immunitet

I eksempelet ovenfor, støy signal er lagt på Vcc spenning, og så lenge det holder seg over minimum nivå (VON(min)) input en tilsvarende utgang av logikk gate er upåvirket. Men når støynivået blir store nok og støy spike fører til det HØYE spenningsnivået å falle under dette minimum nivå, logikk gate kan tolke dette pigg som et LAVT nivå inngang og slå utgang deretter å produsere en falsk utgang bytte., Deretter i rekkefølge for logikk gate for ikke å bli påvirket av støy det må være i stand til å tåle en viss mengde av uønsket støy på egen inngang uten å endre tilstanden til sin produksjon.

Enkel Grunnleggende Digitale Logiske Porter

Enkle digitale logiske porter kan bli laget ved å kombinere transistorer, dioder og motstander med et enkelt eksempel på en Diode-Motstand Logikk (DRL) OG gate og en Diode-Transistor Logikk (DTL) NAND porten som er gitt nedenfor.,

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., Ved hjelp av diskrete komponenter, for eksempel dioder, motstander og transistorer å gjøre digital logikk gate kretser er ikke brukt i praktisk kommersielt tilgjengelig logikk IC-tallet som disse kretser lider av forplantning forsinkelse eller gate forsinkelse og også strømbrudd på grunn av pull-up motstander.

en Annen ulempe med diode-motstand logikken er at det er ingen «Fan-out» – anlegg som er evnen til én utgang til stasjonen mange innganger til de neste fasene. Også denne type utforming ikke vil slå fullt ut «AV» som en Logisk «0» gir en utgangsspenning på 0.,6v (diode spenningsfall), så følgende TTL og CMOS krets design blir brukt i stedet.

Grunnleggende TTL Logiske Porter

Den enkle Diode-Motstand OG gate ovenfor bruker separate dioder for sin innganger, en for hver inngang., Som en bipolar transistor er effektivt to diode veikryss, som er koblet sammen, som representerer enten en NPN (Negativ-Positiv-Negativ) – enhet eller en PNP (Positiv-Negativ-Positiv) – enheten, input dioder av diode-transistor logikk (DTL) kretsen kan bli erstattet av en enkelt NPN transistor med flere stråler innganger for å danne en annen type logikk-krets kalt transistor-transistor logikk eller TTL, som vist.,

Dette forenklet NAND gate kretsen består av en inngang transistor, TR1 som har to (eller flere) stråler terminaler og en enkel fase å snu NPN bytte transistor krets av TR2.

Når en eller begge av de som slipper ut TR1 som representerer innganger «A» og «B» er koblet til logikk nivå «0» (LAV), base strøm av TR1 passerer gjennom sin base/emitter-dioden til bakken (0V), TR1 mettet fett og dens collector terminal følger., Denne handlingen resulterer i bunnen av TR2 å bli koblet til jord (0V), derav TR2 er «OFF» og utgang til Q er HØY.

Med begge inngangene «A» og «B» HØY-logic nivå «1», input transistor TR1 slås «AV», base med å bytte transistor TR2 blir HØY og gjør det «PÅ», slik utgang på Q er LAV på grunn av veksling virkningen av transistoren. Flere emittere TR1 er koblet til som innganger dermed produsere en NAND gate funksjon.,

Emitter-Kombinert Digital Logikk Gate

Sender Kombinert Logikk eller bare ECL, er en annen type digital logikk gate som bruker bipolar transistor logikk der transistorer er ikke drives i metning-regionen, som de er med standard TTL digital logikk gate. I stedet for inngang og utgang kretser er push-pull koblet transistorer med nettspenning negative med hensyn til bakken.,

Dette har effekten av å øke hastigheten på drift av emitter kombinert logiske porter opp til Gigahertz utvalg sammenlignet med standard TTL-typer, men støy har en større effekt på ECL logikk, fordi de umettede transistorer operere innenfor sine aktive regionen og forsterke samt bytte signaler.,

«74» Sub-familier for Integrerte Kretser

Med forbedringer i circuit design for å ta hensyn til forplantning forsinkelser, strømforbruk, vifte-i og fan-out krav osv, denne typen av TTL bipolar transistor teknologi danner grunnlaget for prefikset «74» familie av digital logikk IC-er, slik som «7400» Quad 2-inngangs NAND port, eller «7402» Quad 2-inngang ELLER utgang, etc.,

Sub-familier av 74xxx serien IC s er tilgjengelig knyttet til de ulike teknologier som brukes til å dikte portene og de er merket med bokstavene i mellom 74 betegnelse og enheten nummeret. Det finnes en rekke TTL sub-familier tilgjengelig som tilbyr et bredt spekter av å bytte hastigheter og strømforbruk som 74L00 eller 74ALS00 NAND porten, var «L» står for «Low-power TTL» og «ALS» står for «Advanced Low-power Schottky TTL» og disse er listet opp nedenfor.,

• • 74xx eller 74Nxx: Standard TTL – Disse enhetene er den opprinnelige TTL familie av logiske porter introdusert tidlig på 70-tallet. De har en utbredelse forsinkelse på om 10ns og et strømforbruk på om 10mW. Spenning rekkevidde: 4.75 til 5,25 volt
• • 74Lxx: Lavt Strømforbruk TTL – strømforbruk ble forbedret over standard-typer ved å øke antall intern motstand, men på bekostning av en reduksjon i bytte hastighet. Spenning rekkevidde: 4.75 til 5,25 volt
• • 74Hxx: Høy Hastighet TTL – Bytte hastighet ble forbedret ved å redusere antall intern motstand., Dette er også økt strømforbruk. Spenning rekkevidde: 4.75 til 5,25 volt
• • 74Sxx: Schottky TTL – Schottky-teknologi brukes til å forbedre inngangsimpedans, bytte hastighet og strømforbruk (2mW) i forhold til 74Lxx og 74Hxx typer. Spenning rekkevidde: 4.75 til 5,25 volt
• • 74LSxx: Lavt Strømforbruk Schottky TTL – Samme som 74Sxx typer, men med økt intern motstand for å forbedre strømforbruk. Spenning rekkevidde: 4.75 til 5.,25 volt
• • 74ASxx: Avansert Schottky TTL – Forbedret design over 74Sxx Schottky typer optimalisert for å øke bytte hastighet på bekostning av strømforbruket til om 22mW. Spenning rekkevidde: 4,5 til 5.5v
• • 74ALSxx: Avansert Lavt Strømforbruk Schottky TTL – Lavere strømforbruk på ca 1 mw og høyere bytte hastighet på 4nS i forhold til 74LSxx typer. Spenning rekkevidde: 4,5 til 5.5v
• • 74HCxx: Høy Hastighet CMOS – CMOS-teknologi og transistorer til å redusere strømforbruket til mindre enn 1uA med CMOS-kompatibel innganger. Spenning rekkevidde: 4,5 til 5.,5 volt
• • 74HCTxx: Høy Hastighet CMOS – CMOS-teknologi og transistorer til å redusere strømforbruket til mindre enn 1uA, men har økt utbredelse forsinkelse på om 16nS på grunn av TTL-kompatible innganger. Spenning rekkevidde: 4,5 til 5.5v

Grunnleggende CMOS Digital Logikk Gate

En av de viktigste ulempene med TTL digital logikk gate-serien er at den logiske porter er basert på bipolar transistor logikk teknologi og transistorer som er gjeldende opererte enheter, de konsumerer store mengder strøm fra en fast +5 volt strømforsyning.,

Også, TTL bipolar transistor gates har en begrenset hastigheten når du bytter fra en «AV» – tilstand til en «PÅ» – tilstand og vice-versa kalt «porten» eller «propagation delay». For å overvinne disse begrensningene utfyllende MOS kalt «CMOS» (Complementary Metal Oxide Semiconductor) logiske porter som bruker «Felt-Effekt Transistorer» eller FET-tallet ble utviklet.,

Som disse portene bruke både P-kanal og N-kanal MOSFET som deres input-enhet, på hvilestrøm forhold uten å bytte, strømforbruk CMOS porter er nesten null, (1 til 2µA), noe som gjør dem ideelle for bruk i lav-effekt batteriet kretser og med bytter hastigheter i overkant av 100 mhz for bruk i høy frekvens timing og datamaskinen kretser.,

Denne grunnleggende CMOS gate eksempel inneholder tre N-kanal normalt-off ekstrautstyr MOSFET-er, en for hver inngang bestående av FET1 og FET2, og en ekstra bytte MOSFET, FET3 som er forutinntatt permantly «PÅ» gjennom sin gate.

Når en eller begge inngangene «A» og «B» er jordet for å logic nivå «0», tilsvarende inngang MOSFET, FET1 eller FET2 er slått «AV» å produsere en logikk «1» (HØY) utgang tilstand fra kilden terminal av FET3.,

Bare når begge innganger «A» og «B» er holdt HØYT på logikk nivå «1», ikke strømmen gjennom tilsvarende MOSFET slå den «PÅ» å produsere en ekstra stat på Q tilsvarer en logikk nivå «0» som både MOSFET, FET1 og FET2 gjennomfører. Derfor produserer bytte handling representant for en NAND gate funksjon.

Forbedringer i circuit design med hensyn på å bytte hastighet, lavt strømforbruk og økt utbredelse forsinkelser har resultert i standard CMOS-4000 «CD» familie av logikk IC blir utviklet som utfyller TTL utvalg.,

Som med standard TTL digitale logiske porter, alle de store digitale logiske porter og enheter er tilgjengelige i CMOS-pakke som CD4011, en Quad 2-inngangs NAND port, eller CD4001, en Quad 2-inngangs NOR gate sammen med alle sine sub-familier.

Som TTL logikk, utfyllende MOS (CMOS-kretser dra nytte av det faktum at begge N-kanal og P-kanal enheter kan være å fremstille sammen på det samme underlaget for å danne ulike logiske funksjoner.,

En av de største ulempen med CMOS utvalg av IC ‘ s forhold til sin tilsvarende TTL typer er at de lett bli skadet av statisk elektrisitet. Også i motsetning til TTL-logiske porter som opererer på én +5V spenning for både input og output nivåer, CMOS digital logiske porter fungerer på en enkelt spenning på mellom +3 og +18 volt.

Vanlige CMOS-Sub-familier inkluderer:

• • 4000B Serien: Standard CMOS – Disse enhetene er den opprinnelige Bufret CMOS-familien av logiske porter introdusert tidlig på 70-tallet og opererer ut fra en nettspenning på 3,0 til 18v d.c.,
• • 74C Serien: 5v CMOS – Disse enhetene er pin-kompatibel med standard 5v TTL-enheter som sin logikk bytte er implementert i CMOS-men med TTL-kompatible innganger. De opererer fra en nettspenning på 3,0 til 18v d.c.

Merk at CMOS-logiske porter og enheter er statisk sensitive, så alltid ta nødvendige forholdsregler for å jobbe på antistatisk matter eller jordet workbenches, iført en antistatisk armbånd og ikke ta ut en del fra den antistatiske emballasjen før nødvendig.,

I neste tutorial om Digitale Logiske Porter, vil vi se på digital Logikk OG Gate funksjon som brukes i både TTL og CMOS logikk-kretser, så vel som dens Boolsk Algebra definisjon og sannhetens bord.

– >