porti logice digitale

porti logice digitale pot avea mai mult de o intrare, de exemplu, intrările A, B, C, D etc., dar, în general, au doar o ieșire digitală, (Q). Porțile logice individuale pot fi conectate sau în cascadă împreună pentru a forma o funcție de poartă logică cu orice număr dorit de intrări sau pentru a forma circuite de tip combinațional și secvențial sau pentru a produce funcții de poartă logică diferite de porțile standard.,porțile logice digitale Standard disponibile în comerț sunt disponibile în două familii sau forme de bază, TTL care reprezintă logica tranzistor-tranzistor, cum ar fi seria 7400, și CMOS care reprezintă metal-oxid-siliciu complementar, care este seria 4000 de cipuri. Această notație a TTL sau CMOS se referă la tehnologia logică utilizată pentru fabricarea circuitului integrat, (IC) sau a unui „cip”, așa cum se numește mai frecvent.,

Digital Poartă Logică

în General vorbind, logica TTL IC utilizarea NPN și PNP tipul de Tranzistoare Bipolare cu Joncțiune în timp ce CMOS logica IC utilizare MOSFET complementare sau JFET tip de Tranzistoare cu Efect de Câmp, atât pentru intrare și ieșire circuite.,pe lângă tehnologia TTL și CMOS, porțile logice digitale simple pot fi realizate și prin conectarea diodelor, tranzistorilor și rezistoarelor pentru a produce RTL, porți logice rezistor-tranzistor, DTL, porți logice Diode-tranzistor sau ECL, porți logice cuplate cu emițător, dar acestea sunt mai puțin frecvente acum în comparație cu familia populară CMOS.circuitele integrate sau IC – urile, așa cum sunt numite mai frecvent, pot fi grupate în familii în funcție de numărul de tranzistori sau „porți” pe care le conțin., De exemplu, un simplu și poarta mea conține doar câteva tranzistoare individuale, au fost ca un microprocesor mai complex poate conține mai multe mii de porți individuale tranzistor. Circuitele integrate sunt clasificate în funcție de numărul de porți logice sau complexitatea circuitelor într-un singur cip cu clasificarea generală pentru numărul de individ gates a dat ca:

Clasificarea Circuitelor Integrate

• la Scară Mică Integrare sau (SSI) – Conțin până la 10 tranzistori sau câteva porți într-un singur pachet, precum ȘI, SAU, NU porți.,
• integrare la scară medie sau (MSI) – între 10 și 100 de tranzistori sau zeci de porți într-un singur pachet și să efectueze operații digitale, cum ar fi sumatoare, decodoare, contoare, flip-flops și multiplexoare.
• integrare pe scară largă sau (LSI) – între 100 și 1.000 de tranzistori sau sute de porți și efectuează operații digitale specifice, cum ar fi cipuri I/O, memorie, Unități aritmetice și logice.,
• integrare la scară foarte mare sau (VLSI) – între 1.000 și 10.000 de tranzistori sau mii de porți și efectuează operații de calcul, cum ar fi procesoare, matrice de memorie mare și dispozitive logice programabile.
• Super-Integrare pe Scara larga sau (SLSI) – între 10.000 și 100.000 de tranzistoare într-un singur pachet și de a efectua operațiuni de calcul, cum ar fi microprocesoare, microcontrolere, de bază, Poze și calculatoare.,
• integrare la scară Ultra-mare sau (ULSI) – mai mult de 1 milion de tranzistori-băieții mari care sunt utilizați în procesoare de calculatoare, GPU-uri, procesoare video, micro-controlere, FPGA-uri și poze complexe.în timp ce clasificarea” ultra large scale ” ULSI este mai puțin utilizată, un alt nivel de integrare care reprezintă complexitatea circuitului integrat este cunoscut sub numele de System-on-Chip sau (SOC) pe scurt., Aici componentele individuale, cum ar fi microprocesorul, memoria, perifericele, logica I/O etc, sunt toate produse pe o singură bucată de siliciu și care reprezintă un întreg sistem electronic într-un singur cip, punând literalmente cuvântul „integrat” în circuit integrat.aceste cipuri integrate complete care pot conține până la 100 de milioane de porți individuale de tranzistor siliciu-CMOS într-un singur pachet sunt utilizate în general în telefoane mobile, camere digitale, micro-controlere, PIC și aplicații de tip robotizat.,în 1965, Gordon Moore co-fondator al Intel corporation a prezis că „numărul de tranzistori și rezistențe pe un singur cip se va dubla la fiecare 18 luni” în ceea ce privește dezvoltarea tehnologiei poarta semiconductoare. Când Gordon Moore și-a făcut Celebrul comentariu înapoi în 1965, au existat aproximativ doar 60 de porți individuale de tranzistor pe un singur cip de siliciu sau mor.primul microprocesor din lume în 1971 a fost Intel 4004 care avea o magistrală de date pe 4 biți și conținea aproximativ 2.300 de tranzistori pe un singur cip, funcționând la aproximativ 600kHz., Astăzi, Intel Corporation au plasat un număr uluitor de 1,2 Miliarde individuale tranzistor porțile pe noul său procesor Quad-core i7-2700K Sandy Bridge 64-bit microprocesor de operare la aproape 4GHz, și cip numărul de tranzistor este încă în creștere, ca mai nou mai repede microprocesoare și microcontrolere sunt dezvoltate.

  stări logice digitale

  poarta logică digitală este blocul de bază din care sunt construite toate circuitele electronice digitale și sistemele bazate pe microprocesoare. Porțile logice digitale de bază efectuează operații logice ale ȘI, SAU și nu pe numere binare.,

  în proiectarea logică digitală sunt permise doar două niveluri sau stări de tensiune, iar aceste stări sunt denumite în general logică ” 1 „și logică” 0″, sau înaltă și joasă, sau adevărată și falsă. Aceste două stări sunt reprezentate în Algebra booleană și tabelele de adevăr standard prin cifrele binare de „1” și, respectiv, „0”.un bun exemplu de stare digitală este un simplu comutator de lumină. Comutatorul poate fi „pornit” sau „oprit”, o stare sau alta, dar nu ambele în același timp.,UE (T) HIGH (H) „0”Logic FALSE (F) LOW (L)

  cele Mai multe digitală porți logice digitale și sisteme cu logica folosi „Pozitiv logica”, în care un nivel logic „0” sau „LOW” este reprezentat de o tensiune zero, 0v sau la sol și un nivel logic „1” sau „MARE” este reprezentat de o tensiune mai mare, cum ar fi +5 volți, cu trecerea de la un nivel de tensiune la altul, fie de la un nivel logic „0” la „1” sau un „1” la „0” a fi făcută cât mai repede posibil, pentru a preveni orice defect funcționarea logică a circuitului.,există, de asemenea, un sistem complementar de „logică negativă” în care valorile și regulile unei logici „0” și ale unei logici „1” sunt inversate, dar în această secțiune tutorial despre porțile logice digitale ne vom referi doar la Convenția logicii pozitive, deoarece este cea mai frecvent utilizată.

  în standardul TTL (tranzistor-tranzistor logic) IC există un domeniu de tensiune predefinit pentru nivelurile de tensiune de intrare și ieșire care definesc exact ceea ce este un nivel logic „1” și ceea ce este un nivel logic „0” și acestea sunt prezentate mai jos.,

  TTL Intrare & Ieșire Niveluri de Tensiune

  

  Există o mare varietate de poartă logică tipuri în ambele bipolare 7400 și CMOS 4000 de familii de digitală porți logice, cum ar fi 74Lxx, 74LSxx, 74ALSxx, 74HCxx, 74HCTxx, 74ACTxx etc, cu fiecare având propriile sale avantaje și dezavantaje distincte, comparativ cu celelalte. Tensiunea de comutare exactă necesară pentru a produce fie o logică „0”, fie o logică” 1 ” depinde de grupul sau familia logică specifică.,cu toate acestea, atunci când se utilizează o alimentare standard de +5 volți, orice intrare de tensiune TTL între 2,0 v și 5V este considerată a fi o logică „1” sau „înaltă”, în timp ce orice intrare de tensiune sub 0,8 v este recunoscută ca logică „0” sau „scăzută”. Regiunea de tensiune între aceste două niveluri de tensiune, fie ca intrare, fie ca ieșire, se numește Regiune nedeterminată, iar funcționarea în această regiune poate determina poarta logică să producă o ieșire falsă.familia logică CMOS 4000 utilizează diferite niveluri de tensiuni în comparație cu tipurile TTL, deoarece sunt proiectate folosind tranzistoare cu efect de câmp sau FET., În tehnologia CMOS, un nivel logic ” 1 „funcționează între 3,0 și 18 volți, iar un nivel logic” 0 ” este sub 1,5 volți. Apoi, următorul tabel arată diferența dintre nivelurile logice ale porților logice tradiționale TTL și CMOS.

  TTL și CMOS Nivele Logice

  Tip de Dispozitiv	Logica 0	Logica 1
  TTL	0 la 0,8 v	2.0 la 5v (VCC)
  CMOS	0 la 1,5 v	3.,0-18v (VDD)

  Apoi, din observațiile de mai sus, putem defini ideal TTL digital logica poarta ca unul care are un „LOW” nivel logic „0” de 0 volți (sol) și un „MARE” nivel logic „1” de +5 volți și acest lucru poate fi demonstrat ca:

  Ideal TTL Digital Poartă Logică Niveluri de Tensiune

  

  în cazul în Care deschiderea sau închiderea comutatorului produce nici un nivel logic „1” sau un nivel logic „0” cu rezistorul R fiind cunoscut ca un „pull-up” rezistor.,

  Digital Logic Noise

  cu toate acestea, între aceste valori ridicate și joase definite se află ceea ce se numește în general „no-man ‘s land” (Zona Albastră de mai sus) și dacă aplicăm o tensiune de semnal a unei valori în această zonă no-man ‘ s land nu știm dacă poarta logică va răspunde la ea ca nivel „0” sau ca nivel „1”, iar ieșirea va deveni imprevizibilă.,zgomotul este numele dat unei tensiuni aleatorii și nedorite care este indusă în circuite electronice prin interferențe externe, cum ar fi de la comutatoarele din apropiere, fluctuațiile sursei de alimentare sau de la fire și alți conductori care ridică radiații electromagnetice rătăcite. Apoi, pentru ca o poartă logică să nu fie influențată de zgomot, trebuie să aibă o anumită cantitate de marjă de zgomot sau imunitate la zgomot.,

  Digitală Logica Poarta Imunitate de Zgomot

  

  În exemplul de mai sus, zgomotul de semnal este suprapusă pe Vcc tensiune de alimentare și atâta timp cât acesta rămâne peste nivelul minim (VON(min)) de intrare o de ieșire corespunzătoare de poartă logică nu sunt afectate. Dar când nivelul de zgomot devine suficient de mare și un vârf de zgomot determină scăderea nivelului de înaltă tensiune sub acest nivel minim, poarta logică poate interpreta acest vârf ca o intrare de nivel scăzut și poate comuta ieșirea în consecință producând o comutare de ieșire falsă., Apoi, pentru ca poarta logică să nu fie afectată de zgomot, trebuie să poată tolera o anumită cantitate de zgomot nedorit la intrarea sa fără a schimba starea de ieșire.porțile logice digitale Simple pot fi realizate prin combinarea tranzistorilor, diodelor și rezistențelor cu un exemplu simplu de logică diodă-rezistență (DRL) și poartă și o poartă NAND logică diodă-tranzistor (DTL) dată mai jos.,

  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., Utilizarea componentelor discrete, cum ar fi diode, rezistențe și tranzistoare pentru a face circuite digitale de poartă logică nu sunt utilizate în IC-urile logice disponibile în comerț, deoarece aceste circuite suferă de întârziere de propagare sau întârziere de poartă și, de asemenea, pierderi de putere datorate rezistențelor de tragere.un alt dezavantaj al logicii dioda-rezistor este că nu există nici o facilitate „Fan-out”, care este capacitatea de o singură ieșire de a conduce mai multe intrări ale etapelor următoare. De asemenea, acest tip de design nu se oprește complet, deoarece logica „0” produce o tensiune de ieșire de 0.,6V (cădere de tensiune diodă), astfel încât sunt utilizate următoarele modele de circuite TTL și CMOS.

  porți logice TTL de bază

  rezistența diodă simplă și poarta de mai sus utilizează diode separate pentru intrările sale, câte una pentru fiecare intrare., Deoarece un tranzistor bipolar este în mod eficient două joncțiuni diode conectate împreună, reprezentând fie un dispozitiv NPN (negativ-pozitiv-negativ), fie un dispozitiv PNP (pozitiv-negativ-pozitiv), diodele de intrare ale circuitului logic diodă-tranzistor (DTL) pot fi înlocuite cu un singur tranzistor NPN cu mai multe intrări emițător pentru a forma un alt tip de circuit logic numit,

  

  2-Intrare NAND Gate

  acest circuit simplificat NAND gate constă dintr-un tranzistor de intrare, TR1 care are două (sau mai multe) terminale emițător și o singură etapă inverting NPN comutare tranzistor circuit de TR2.

  când unul sau ambii emițători ai TR1 reprezentând intrările „A” și „B” sunt conectați la nivelul logic ” 0 ” (scăzut), curentul de bază al TR1 trece prin joncțiunea sa bază/emițător la sol (0V), TR1 saturează și terminalul său colector urmează., Această acțiune are ca rezultat conectarea bazei TR2 la masă (0V), prin urmare TR2 este „oprit”, iar ieșirea la Q este ridicată.cu ambele intrări” A „și” B „ridicate la nivel logic” 1″, tranzistorul de intrare TR1 se oprește, baza tranzistorului de comutare TR2 devine ridicată și îl pornește, astfel încât ieșirea la Q este scăzută datorită acțiunii de comutare a tranzistorului. Emițătorii multipli ai TR1 sunt conectați ca intrări, producând astfel o funcție de poartă NAND.,

  poarta logică digitală cuplată cu emițător

  logica cuplată cu emițător sau pur și simplu ECL, este un alt tip de poartă logică digitală care utilizează logica tranzistorului bipolar în care tranzistoarele nu sunt operate în regiunea de saturație, așa cum sunt cu poarta logică digitală TTL standard. În schimb, circuitele de intrare și ieșire sunt tranzistoare conectate push-pull cu tensiunea de alimentare negativă în raport cu solul.,acest lucru are ca efect creșterea vitezei de funcționare a porților logice cuplate la emițător până la gama Gigahertz comparativ cu tipurile TTL standard, dar zgomotul are un efect mai mare în logica ECL, deoarece tranzistoarele nesaturate funcționează în regiunea lor activă și amplifică, precum și semnalele de comutare.,

  „74” Sub-familii de Circuite Integrate

  Cu îmbunătățiri în design de circuit pentru a ține seama de întârzieri de propagare, consum de curent, fan-in fan-out cerințele etc, acest tip de TTL tranzistorul bipolar tehnologie formează baza prefixat „74” familie de logică digitală IC, cum ar fi „7400” Quad 2-intrare de poartă NAND, sau „7402” Quad 2-intrare, NICI poarta, etc.,

  sub-familii din seria 74XXX IC sunt disponibile cu privire la diferitele tehnologii utilizate pentru fabricarea porților și acestea sunt notate cu literele între denumirea 74 și numărul dispozitivului. Există o serie de TTL sub-familii disponibile, care oferă o gamă largă de viteze de comutare și consumul de energie, cum ar fi 74L00 sau 74ALS00 poartă NAND, au fost „L” vine de la „Low-power TTL” și „ALS” vine de la „Advanced Low-power Schottky TTL” și acestea sunt enumerate mai jos.,

  • • 74xx sau 74Nxx: Standard TTL – Aceste dispozitive sunt originale TTL familia de porți logice introdus la începutul anilor ‘ 70. Ei au o propagare întârziere de aproximativ 10ns și un consum de energie de aproximativ 10 mw. Gamă de tensiune de alimentare: 4.75-5.25 volți
  • • 74Lxx: Redus de Energie TTL – consumul de Energie a fost îmbunătățit de-a lungul tipuri standard de creșterea numărului de interne rezistențele dar la costul de o reducere de comutare de viteză. Gama de tensiune de alimentare: 4,75 până la 5,25 volți
  • • 74hxx: viteza de comutare TTL de mare viteză a fost îmbunătățită prin reducerea numărului de rezistențe interne., Acest lucru a crescut, de asemenea, consumul de energie. Gamă de tensiune de alimentare: 4.75-5.25 volți
  • • 74Sxx: Schottky TTL – Schottky tehnologie este utilizat pentru a îmbunătăți impedanta de intrare, de comutare de viteză și consumul de energie (2 mw), comparativ cu 74Lxx și 74Hxx tipuri. Gamă de tensiune de alimentare: 4.75-5.25 volți
  • • 74LSxx: Low Power Schottky TTL – la Fel ca 74Sxx tipuri, dar cu creșterea rezistențele interne pentru a îmbunătăți consumul de energie. Gama de tensiune de alimentare: 4.75 la 5.,25 de volți,
  • • 74ASxx: Advanced Schottky TTL – design Imbunatatit peste 74Sxx Schottky tipuri optimizat pentru a crește viteza de comutare în detrimentul consumului de energie de circa 22mW. Gamă de tensiune de alimentare: 4.5-5.5 volți
  • • 74ALSxx: Advanced Low Power Schottky TTL – consum redus de energie de aproximativ 1 mw și mai mare la viteze de 4nS, comparativ cu 74LSxx tipuri. Gama de tensiune de alimentare: 4.5-5.5 volți
  • • 74hcxx: tehnologie CMOS – CMOS de mare viteză și tranzistoare pentru a reduce consumul de energie mai mic de 1UA cu intrări compatibile CMOS. Gama de tensiune de alimentare: 4.5 la 5.,5 volți
  • • 74HCTxx: High Speed CMOS tehnologia CMOS și tranzistori pentru a reduce consumul de energie de mai puțin de 1uA dar a crescut de propagare întârziere de aproximativ 16nS datorită TTL compatibil intrări. Gama de tensiune de alimentare: 4,5 până la 5,5 volți

  de bază CMOS Digital Logic Gate

  unul dintre principalele dezavantaje cu seria TTL Digital logic gate este că porțile logice se bazează pe tehnologia logică bipolară a tranzistorilor și deoarece tranzistoarele sunt dispozitive acționate curent, consumă cantități mari de energie de la o sursă de alimentare fixă de +5 volți.,de asemenea, porțile tranzistorului bipolar TTL au o viteză de operare limitată la trecerea de la o stare „oprită” la o stare „pornită” și invers numită „poartă” sau „întârziere de propagare”. Pentru a depăși aceste limitări au fost dezvoltate MOS complementare numite „CMOS” (Complementary Metal Oxide Semiconductor) porți logice care folosesc „tranzistoare cu efect de câmp” sau FET.,deoarece aceste porți folosesc atât canalul P, cât și canalul n MOSFET ca dispozitiv de intrare, în condiții de repaus, fără comutare, consumul de energie al porților CMOS este aproape zero (1 până la 2µa), ceea ce le face ideale pentru utilizarea în circuitele bateriei cu consum redus de energie și cu viteze de comutare în sus de 100MHz pentru utilizarea în,

  

  2-intrare Poarta NAND

  Această bază CMOS poarta exemplu conține trei N-canal, în mod normal-off accesoriu MOSFET-uri, unul pentru fiecare intrare format din FET1 și FET2, și o suplimentare de comutare MOSFET, FET3 care este părtinitoare permantly „PE”, prin poarta.

  atunci Când una sau ambele intrări „a” și „B” sunt fundamentate la nivel logic „0”, de intrare corespunzătoare MOSFET, FET1 sau FET2 sunt „inchise” produce un „1” logic (HIGH) condiție de ieșire din sursa terminal de FET3.,

  Numai atunci când ambele intrări „a” și „B” sunt MARE a avut loc la nivel logic „1”, nu fluxul de curent prin intermediul corespunzătoare MOSFET de comutare a „LA” a produce o ieșire de stat la Q echivalentă cu un nivel logic „0”, ca ambele tranzistoare MOSFET, FET1 și FET2 desfășoară. Prin urmare, producerea acțiunii de comutare reprezentativă a unei funcții de poartă NAND.

  îmbunătățirile în proiectarea circuitului în ceea ce privește viteza de comutare, consumul redus de energie și întârzierile îmbunătățite de propagare au dus la dezvoltarea familiei standard CMOS 4000 „CD” a logicii IC care completează gama TTL.,

  cu standardul TTL digitală porți logice, toate marile digitală porți logice și dispozitivele sunt disponibile în CMOS pachetului, cum ar fi CD4011, un procesor Quad 2-intrare de poartă NAND, sau CD4001, un procesor Quad 2-intrare, NICI poarta, împreună cu toate sub-familii.la fel ca logica TTL, circuitele MOS complementare (CMOS) profită de faptul că atât dispozitivele cu canal N, cât și cele cu canal P pot fi fabricate împreună pe același material substrat pentru a forma diferite funcții logice.,unul dintre principalele dezavantaje cu gama CMOS a IC-urilor în comparație cu tipurile TTL echivalente este că acestea sunt ușor deteriorate de electricitatea statică. De asemenea, spre deosebire de porțile logice TTL care funcționează pe tensiuni unice de +5V atât pentru nivelurile lor de intrare, cât și pentru cele de ieșire, porțile logice digitale CMOS funcționează pe o singură tensiune de alimentare cuprinsă între +3 și +18 volți.

  Comune CMOS Sub-familii includ:

  • • 4000B Seria: Standard CMOS – Aceste dispozitive sunt originale Tamponat CMOS familie de porți logice introdus la începutul anilor ‘ 70 și funcționează la o tensiune de alimentare de 3,0 la 18v d.c.,
  • * seria 74C: 5V CMOS-aceste dispozitive sunt compatibile cu dispozitivele standard de 5V TTL, deoarece comutarea lor logică este implementată în CMOS, dar cu intrări compatibile cu TTL. Acestea funcționează la o tensiune de alimentare de 3,0 la 18v d.c.

  Rețineți că CMOS porți logice și dispozitive sunt statice sensibile, astfel încât să ia întotdeauna măsuri de precauție corespunzătoare de lucru pe antistatic rogojini sau pedepsit bancuri de lucru, purtand o bratara antistatica si nu scoate o parte din ambalajul antistatic până când este necesar.,

  în următorul tutorial despre porțile logice digitale, vom analiza funcția logică și poartă digitală, așa cum este utilizată atât în circuitele logice TTL, cât și în CMOS, precum și în tabelele de definiție a algebrei booleene și de adevăr.