Digital Logic Gates

Digital logic gates kunnen meer dan één ingang hebben, bijvoorbeeld ingangen A, B, C, D enz., maar over het algemeen slechts één digitale uitgang, (Q). Individuele logische poorten kunnen worden aangesloten of aan elkaar worden gekoppeld om een logische poortfunctie te vormen met elk gewenst aantal ingangen, of om combinationele en sequentiële circuits te vormen, of om verschillende logische poortfuncties te produceren van standaard poorten.,

standaard commercieel verkrijgbare digitale logische poorten zijn beschikbaar in twee basisfamilies of vormen, TTL, wat staat voor Transistor-Transistorlogica, zoals de 7400-serie, en CMOS, wat staat voor complementair metaaloxide-silicium, wat de 4000-serie chips is. Deze notatie van TTL of CMOS verwijst naar de logische technologie die wordt gebruikt voor de vervaardiging van de geïntegreerde schakeling, (IC) of een “chip” zoals deze gewoonlijk wordt genoemd.,

in het algemeen gebruiken TTL logic IC ’s bipolaire Junction Transistors van het NPN-en PNP-Type, terwijl CMOS logic IC’ s complementaire MOSFET-of JFET-Type veldeffecttransistors gebruiken voor zowel hun input-als outputcircuits.,

naast TTL-en CMOS-technologie kunnen eenvoudige digitale logische poorten ook worden gemaakt door diodes, transistoren en weerstanden aan elkaar te koppelen om RTL -, Weerstand-Transistor-logische poorten, DTL -, Diode-Transistor-logische poorten of ECL -, Emitter-gekoppelde logische poorten te produceren, maar deze zijn nu minder gebruikelijk in vergelijking met de populaire CMOS-familie.

Geïntegreerde Schakelingen of IC ‘ s zoals ze gewoonlijk worden genoemd, kunnen worden gegroepeerd in families volgens het aantal transistors of “poorten” dat ze bevatten., Bijvoorbeeld, een eenvoudige en poort mijn bevatten slechts een paar individuele transistors, waren als een meer complexe microprocessor kan vele duizenden individuele transistor poorten bevatten. Geïntegreerde schakelingen worden ingedeeld op basis van het aantal logische poorten of de complexiteit van de schakelingen binnen een enkele chip, waarbij de algemene classificatie voor het aantal afzonderlijke poorten wordt gegeven als:

classificatie van geïntegreerde schakelingen

• kleinschalige integratie of (SSI) – bevatten maximaal 10 transistors of een paar poorten binnen een enkel pakket, zoals en, of niet gates.,
• integratie op middellange schaal of (MSI)-tussen 10 en 100 transistors of tientallen poorten binnen één pakket en digitale bewerkingen uitvoeren zoals adders, decoders, tellers, flip-flops en multiplexers.
• grootschalige integratie of (LSI) – tussen 100 en 1.000 transistors of honderden poorten en voeren specifieke digitale bewerkingen uit zoals I/O-chips, geheugen, rekenkundige en logische eenheden.,
• Very-Large Scale Integration of (VLSI) – tussen 1.000 en 10.000 transistors of duizenden poorten en het uitvoeren van computationele bewerkingen zoals processors, grote geheugen arrays en programmeerbare logische apparaten.
• Super-Large Scale Integration of (SLSI) – tussen 10.000 en 100.000 transistors binnen een enkel pakket en het uitvoeren van computationele bewerkingen zoals microprocessorchips, microcontrollers, basic PICs en rekenmachines.,
• Ultra-Large Scale Integration of (ULSI) – meer dan 1 miljoen transistors-de grote jongens die worden gebruikt in computers CPU ‘s, GPU’ s, videoprocessors, microcontrollers, FPGA ‘ s en complexe PICs.

hoewel de ULSI-classificatie” ultra large scale ” minder goed wordt gebruikt, staat een ander integratieniveau dat de complexiteit van de geïntegreerde schakeling vertegenwoordigt bekend als de System-on-Chip of (SOC)., Hier worden de afzonderlijke componenten, zoals de microprocessor, het geheugen, de randapparatuur, de I/O-logica enz., allemaal geproduceerd op een enkel stuk silicium en dat een geheel elektronisch systeem binnen één enkele chip vertegenwoordigt, waarbij letterlijk het woord “geïntegreerd” in geïntegreerde schakeling wordt geplaatst.

Deze complete geïntegreerde chips die tot 100 miljoen afzonderlijke silicium-CMOS-transistorpoorten in één pakket kunnen bevatten, worden over het algemeen gebruikt in mobiele telefoons, digitale camera ‘s, microcontrollers, PIC’ s en robottoepassingen.,in 1965 voorspelde Gordon Moore, medeoprichter van de Intel corporation dat “het aantal transistors en weerstanden op een enkele chip elke 18 maanden zal verdubbelen” met betrekking tot de ontwikkeling van halfgeleider-gate technologie. Toen Gordon Moore zijn beroemde opmerking maakte in 1965 waren er ongeveer 60 individuele transistor poorten op een enkele silicium chip of sterven.de eerste microprocessor ter wereld in 1971 was de Intel 4004 die een 4-bit databus had en ongeveer 2.300 transistors op een enkele chip bevatte, met een vermogen van ongeveer 600kHz., Vandaag, de Intel Corporation heeft een duizelingwekkende 1,2 miljard individuele transistor poorten geplaatst op zijn nieuwe Quad-core i7-2700K Sandy Bridge 64-bit microprocessor chip die werkt op bijna 4GHz, en de on-chip transistor telling is nog steeds stijgende, als nieuwere snellere microprocessors en micro-controllers worden ontwikkeld.

digitale logische toestanden

De digitale logische poort is de basisbouwsteen waaruit alle digitale elektronische circuits en microprocessorgebaseerde systemen zijn opgebouwd. Basic digital logic gates voeren logische bewerkingen uit van en, of en niet op binaire getallen.,

in het digitale logische ontwerp zijn slechts twee spanningsniveaus of toestanden toegestaan en deze toestanden worden over het algemeen aangeduid als Logica “1” en logica “0”, of hoog en laag, of waar en onwaar. Deze twee toestanden worden in de Booleaanse algebra en de standaard waarheidstabellen weergegeven door de binaire cijfers van respectievelijk “1” en “0”.

een goed voorbeeld van een digitale toestand is een eenvoudige lichtschakelaar. De schakelaar kan ofwel “aan” of “uit” zijn, de ene of de andere staat, maar niet beide tegelijk.,UE (T)

HOOG (H) Logische “0” FALSE (F) LAGE (L)

de Meeste digitale logische poorten en digitale logica systemen maken gebruik van “Positieve logica”, waarin een logic level “0” of “LOW” wordt weergegeven met een nul spanning, 0v of grond en een logic level “1” of “HIGH” wordt weergegeven met een hoger voltage zoals een +5 volt, met de omschakeling van een spannings-niveau naar het andere, hetzij van een logic level “0” naar “1” of een “1” naar “0” is gedaan, zo snel mogelijk om te voorkomen dat een defecte werking van de logische schakeling.,

Er bestaat ook een complementair ” negatieve logica “systeem waarin de waarden en de regels van een logica” 0 “en een logica” 1 ” worden omgekeerd, maar in deze tutorial sectie over digitale logische poorten zullen we alleen verwijzen naar de positieve logica conventie zoals deze het meest wordt gebruikt.

in standaard TTL (transistor-transistor logic) IC ‘ s is er een vooraf gedefinieerd spanningsbereik voor de in-en uitgangsspanningsniveaus die precies definiëren wat een logische “1” niveau is en wat een logische “0” niveau en deze worden hieronder getoond.,

TTL Ingang & Output Voltage Niveaus

Er zijn een grote verscheidenheid van logica gate-typen in zowel de bipolaire 7400 en de CMOS 4000 gezinnen van digitale logische poorten zoals 74Lxx, 74LSxx, 74ALSxx, 74HCxx, 74HCTxx, 74ACTxx enz, met ieder met zijn eigen voordelen en nadelen ten opzichte van de andere. De exacte schakelspanning die nodig is om een logica “0” of een logica “1” te produceren, hangt af van de specifieke logische groep of familie.,

bij gebruik van een standaard + 5 volt-voeding wordt een TTL-spanningsingang tussen 2,0 v en 5v echter beschouwd als een logica “1” of “hoog”, terwijl een spanningsingang onder 0,8 v wordt herkend als een logica “0” of “laag”. Het spanningsgebied tussen deze twee spanningsniveaus als input of als output wordt het onbepaalde gebied genoemd en werkend binnen dit gebied kan de logische poort veroorzaken om een valse output te produceren.

de CMOS 4000-logicafamilie gebruikt verschillende spanningsniveaus in vergelijking met de TTL-typen, omdat deze zijn ontworpen met behulp van veldeffecttransistors of FET ‘ s., In CMOS-technologie werkt een logische “1” – niveau tussen 3,0 en 18 volt en een logische “0” – niveau is lager dan 1,5 volt. Vervolgens toont de volgende tabel het verschil tussen de logische niveaus van traditionele TTL-en CMOS-logische poorten.

TTL-en CMOS-Logica Niveau

Device Type	Logische 0	Logica 1
TTL	0 tot 0,8 v	2.0 5v (VCC)
CMOS	0 tot 1,5 v	3.,0 18v (VDD)

Vervolgens uit de bovenstaande observaties kunnen we het definiëren van de ideale digitale TTL logische poort als een, die heeft een “LAAG” niveau logische “0” van de 0 v (massa) en een “HOOG” niveau logische “1” van de +5 volt en deze kan worden aangetoond, zoals:

Ideale Digitale TTL Logica Gate-Spanning Niveaus

Waar het openen of sluiten van de schakelaar produceert een logic level “1” of een logic level “0” met de weerstand R wordt bekend als een “pull-up” – weerstand.,

digitale logische ruis

echter, tussen deze gedefinieerde hoge en lage waarden ligt wat over het algemeen een “niemandsland” wordt genoemd (het blauwe gebied is hierboven) en als we een Signaalspanning van een waarde binnen dit niemandsland toepassen weten we niet of de logische poort hierop zal reageren als een niveau “0” of als een niveau “1”, en de output zal onvoorspelbaar worden.,

ruis is de naam die wordt gegeven aan een willekeurige en ongewenste spanning die in elektronische circuits wordt geïnduceerd door externe interferentie, zoals van nabijgelegen schakelaars, fluctuaties van de voeding of van draden en andere geleiders die zwerf elektromagnetische straling opvangen. Dan, om een logische poort niet te worden beïnvloed door ruis in moet een bepaalde hoeveelheid ruis marge of ruis immuniteit.,

digital Logic Gate Noise Immunity

In het bovenstaande voorbeeld wordt het ruissignaal op de VCC-voedingsspanning gelegd en zolang het boven het minimumniveau (VON(min)) blijft, blijft de ingang en de overeenkomstige uitgang van de logische poort onaangetast. Maar wanneer het geluidsniveau groot genoeg wordt en een lawaaispiek veroorzaakt het HOOGSPANNINGSNIVEAU om onder dit minimumniveau te dalen, kan de logische poort deze piek als een lage niveauinput interpreteren en de output dienovereenkomstig het produceren van een valse outputomschakeling schakelen., Om dan de logische poort niet te worden beïnvloed door ruis moet het in staat zijn om een bepaalde hoeveelheid ongewenste ruis op de ingang te tolereren zonder de toestand van de uitgang te veranderen.

eenvoudige digitale logische poorten

eenvoudige digitale logische poorten kunnen worden gemaakt door transistors, diodes en weerstanden te combineren met een eenvoudig voorbeeld van een Diode-Weerstandslogica (DRL) en poort en een Diode-Transistorlogica (DTL) NAND poort die hieronder wordt gegeven.,

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., Het gebruik van discrete componenten zoals diodes, weerstanden en transistors om digitale logische poortcircuits te maken, wordt niet gebruikt in praktische commercieel verkrijgbare logische IC ‘ s omdat deze circuits lijden aan propagatievertraging of poortvertraging en ook stroomverlies als gevolg van de pull-up weerstanden.

een ander nadeel van diode-weerstandslogica is dat er geen “Fan-out” – faciliteit is, namelijk het vermogen van een enkele uitgang om veel ingangen van de volgende fasen aan te drijven. Ook dit type ontwerp wordt niet volledig “uitgeschakeld” omdat een logica ” 0 ” een uitgangsspanning van 0 produceert.,6v (de daling van het diodevoltage), zodat worden de volgende TTL en CMOS kringsontwerpen in plaats daarvan gebruikt.

Basic TTL Logic Gates

De eenvoudige Diode-Weerstand en poort hierboven gebruikt aparte diodes voor zijn ingangen, één voor elke ingang., Als een bipolaire transistor is effectief twee diode knooppunten met elkaar verbonden zijn, die een NPN (Negatief-Positief-Negatief) – apparaat of een PNP (Positief-Negatief-Positief) apparaat, de ingang diodes van de diode -, transistor-logic (DTL) – circuit kunnen worden vervangen door één enkele NPN-transistor met meerdere zender ingangen vormen een ander type van logische schakeling genoemd transistor-transistor logic of TTL, zoals weergegeven.,

dit vereenvoudigde NAND gate circuit bestaat uit een ingangstransistor, TR1, die twee (of meer) emitterterminals heeft en een enkeltraps NPN switching transistor circuit van TR2.

wanneer een of beide van de stralers van TR1 die de ingangen “A” en “B” vertegenwoordigen, zijn aangesloten op het logische niveau “0” (laag), gaat de basisstroom van TR1 door zijn basis/emitter-verbinding naar de grond (0V), verzadigt TR1 en volgt de collectorterminal., Deze actie resulteert in de basis van TR2 wordt verbonden met de grond (0V), dus TR2 is “uit” en de output bij Q is hoog.

met beide ingangen ” A “en” B “hoog op logisch niveau” 1″, schakelt de ingangstransistor TR1″ uit”, wordt de basis van de schakeltransistor TR2 hoog en zet deze” aan ” zodat de uitgang bij Q laag is door de schakelactie van de transistor. De meerdere stralers van TR1 zijn aangesloten als ingangen waardoor een NAND gate functie ontstaat.,

Emitter-Coupled Digital Logic Gate

Emitter Coupled Logic of gewoon ECL is een ander type digitale logische poort dat gebruik maakt van bipolaire transistorlogica waarbij de transistors niet werken in het verzadigingsgebied, zoals bij de standaard TTL digital logic gate. In plaats daarvan zijn de input en output circuits push-pull aangesloten transistors met de voedingsspanning negatief ten opzichte van de grond.,

Dit heeft als gevolg dat de werkingssnelheid van de gekoppelde logische poorten van de zender tot het Gigahertz-bereik wordt verhoogd in vergelijking met de standaard TTL-typen, maar ruis heeft een groter effect in de ECL-logica, omdat de onverzadigde transistors binnen hun actieve gebied werken en zowel schakelsignalen versterken.,

de “74” subfamilies van geïntegreerde schakelingen

met verbeteringen in het ontwerp van de schakeling om rekening te houden met propagatievertragingen, stroomverbruik, ventilator-in-en ventilator-outvereisten enz., vormt dit type bipolaire TTL-transistortechnologie de basis van de voorgefixeerde “74” familie van digitale logische IC ‘ s, zoals de “7400” Quad 2-input NAND gate, of de “7402” Quad 2-input NOR gate, enz.,

subfamilies van de IC ‘ s uit de 74xxx-serie zijn beschikbaar met betrekking tot de verschillende technologieën die worden gebruikt om de poorten te fabriceren en ze worden aangeduid met de letters tussen de 74-aanduiding en het apparaatnummer. Er zijn een aantal TTL-subfamilies beschikbaar die een breed scala aan schakelsnelheden en stroomverbruik bieden, zoals de 74L00 of 74ALS00 NAND gate, waar de ” L “staat voor” Low-power TTL “en de” ALS “staat voor” Advanced Low-power Schottky TTL ” en deze zijn hieronder opgesomd.,

• • 74xx of 74Nxx: standaard TTL-deze apparaten zijn de originele TTL-familie van logische poorten die begin jaren 70 werd geïntroduceerd. ze hebben een voortplantingsvertraging van ongeveer 10ns en een energieverbruik van ongeveer 10mW. Voedingsspanningsbereik: 4,75 tot 5,25 volt
• * 74Lxx: laag vermogen TTL – het stroomverbruik werd verbeterd ten opzichte van standaard types door het verhogen van het aantal interne weerstanden, maar ten koste van een vermindering van de schakelsnelheid. Voedingsspanningsbereik: 4,75 tot 5,25 volt
• * 74Hxx: hoge snelheid TTL-schakelsnelheid werd verbeterd door het aantal interne weerstanden te verminderen., Dit verhoogde ook het stroomverbruik. Voedingsspanningsbereik: 4,75 tot 5,25 volt
• * 74Sxx: Schottky TTL-Schottky technologie wordt gebruikt om de ingangsimpedantie, schakelsnelheid en stroomverbruik (2mW) te verbeteren in vergelijking met de 74Lxx en 74Hxx types. Voedingsspanningsbereik: 4,75 tot 5,25 volt
• * 74LSxx: Schottky TTL met laag vermogen-hetzelfde als 74Sxx-types, maar met verhoogde interne weerstanden om het stroomverbruik te verbeteren. De waaier van het voedingsspanning: 4.75 aan 5.,25 volt
• * 74ASxx: geavanceerde Schottky TTL-verbeterd ontwerp over 74Sxx Schottky types geoptimaliseerd om de schakelsnelheid te verhogen ten koste van een stroomverbruik van ongeveer 22mW. Voedingsspanningsbereik: 4,5 tot 5,5 volt
• * 74ALSxx: geavanceerde Schottky TTL met laag vermogen-lager stroomverbruik van ongeveer 1mW en hogere schakelsnelheid van 4nS in vergelijking met 74LSxx-types. Voedingsspanningsbereik: 4,5 tot 5,5 volt
• * 74HCxx: hoge snelheid CMOS – CMOS-technologie en transistors om het stroomverbruik van minder dan 1uA te verminderen met CMOS-compatibele ingangen. De waaier van het Voedingsspanning: 4.5 aan 5.,5 volt
• • 74HCTxx: hoge snelheid CMOS – CMOS-technologie en transistors om het stroomverbruik van minder dan 1uA te verminderen, maar heeft een verhoogde propagatievertraging van ongeveer 16nS als gevolg van de TTL-compatibele ingangen. Voedingsspanningsbereik: 4,5 tot 5,5 volt

Basic CMOS Digital Logic Gate

een van de belangrijkste nadelen van de TTL digital logic gate-serie is dat de logische poorten gebaseerd zijn op bipolaire transistorlogic-technologie en omdat transistors stroomgestuurde apparaten zijn, verbruiken ze grote hoeveelheden stroom van een vaste +5 volt voeding.,

ook hebben TTL bipolaire transistorpoorten een beperkte werksnelheid bij het overschakelen van een” UIT “-toestand naar een” aan “- toestand en vice versa, de” gate “of”propagation delay” genoemd. Om deze beperkingen te overwinnen werden complementaire Mo ‘ s ontwikkeld, zogenaamde “CMOS” (Complementary Metal Oxide Semiconductor) logische poorten die gebruik maken van “veldeffecttransistors” of FET ‘ s.,

aangezien deze poorten zowel P-kanaal als N-kanaal MOSFET ‘ s als ingangsapparaat gebruiken, is het stroomverbruik van CMOS-poorten bijna nul (1 tot 2µA), waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in batterijcircuits met een laag vermogen en met schakelsnelheden van meer dan 100 MHz voor gebruik in hoogfrequente timing-en computercircuits.,

Dit basis CMOS gate voorbeeld bevat drie n-kanaal normaal-off enhancement MOSFET ‘s, een voor elke ingang bestaande uit FET1 en FET2, en een extra switching MOSFET, FET3 die permanent” ON ” is door zijn poort.

wanneer één of beide ingangen ” A “en” B “geaard zijn op logicaniveau” 0″, worden de corresponderende input MOSFET, FET1 of FET2″ OFF “gezet, wat een logic” 1 ” (HIGH) uitvoerconditie produceert vanuit de bron terminal van FET3.,

alleen wanneer beide ingangen “A” en “B” hoog worden gehouden op logicaniveau “1”, stroomt de stroom door de corresponderende MOSFET die deze “ON” schakelt en een uitvoerstatus produceert op Q die gelijk is aan een logicaniveau “0” terwijl beide MOSFETS, FET1 en FET2 uitvoeren. Daarom produceert de schakelactie vertegenwoordiger van een NAND poort functie.

verbeteringen in het circuitontwerp met betrekking tot schakelsnelheid, laag stroomverbruik en verbeterde propagatievertragingen hebben geresulteerd in de standaard CMOS 4000 “CD” – familie van logic IC ‘ s die het TTL-bereik aanvullen.,

net als bij de standaard TTL digital logic gates zijn alle belangrijke digitale logische poorten en apparaten beschikbaar in het CMOS-pakket, zoals de CD4011, een Quad 2-input NAND gate, of de CD4001, een Quad 2-input NOR gate, samen met al hun subfamilies.

net als TTL-logica maken complementaire mos (CMOS)-circuits gebruik van het feit dat zowel n-kanaal-als P-kanaal-apparaten samen op hetzelfde substraatmateriaal kunnen worden gefabriceerd om verschillende logische functies te vormen.,

een van de belangrijkste nadelen van het CMOS-bereik van IC ‘ s ten opzichte van hun equivalente TTL-typen is dat ze gemakkelijk beschadigd raken door statische elektriciteit. Ook in tegenstelling tot TTL logische poorten die werken op enkele +5V spanningen voor zowel hun input als output niveaus, CMOS digitale logische poorten werken op een enkele voedingsspanning van tussen +3 en +18 Volt.

gemeenschappelijke CMOS-subfamilies zijn:

• • 4000B-Serie: Standaard CMOS-deze apparaten zijn de originele gebufferde CMOS-familie van logische poorten die begin jaren 70 werden geïntroduceerd en werken met een voedingsspanning van 3,0 tot 18v d.c.,
• • 74C-serie: 5v CMOS-deze apparaten zijn pin-compatibel met standaard 5V TTL-apparaten omdat hun logische schakeling is geïmplementeerd in CMOS, maar met TTL-compatibele ingangen. Ze werken met een voedingsspanning van 3,0 tot 18v d.c.

merk op dat CMOS-logische poorten en apparaten statisch gevoelig zijn, dus neem altijd de juiste voorzorgsmaatregelen voor het werken op antistatische matten of geaarde werkbanken, het dragen van een antistatische polsbandje en het niet verwijderen van een deel van de antistatische verpakking totdat vereist.,

in de volgende tutorial over digitale logische poorten, zullen we kijken naar de digitale logica en poort functie zoals gebruikt in zowel TTL en CMOS logische circuits, evenals zijn Booleaanse algebra definitie en waarheidstabellen.