Λογικά Κυκλώματα Με Διόδους

Διάλεξη

2

Λογικά

Κυκλώματα

με

Διόδους, Αντιστάσεις

και

BJTs

Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου

Δομή

της

διάλεξηςΔομή

της

διάλεξης

Επανάληψη άλγεβρας BooleΛογική με διόδουςΛογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (Resistor-Transistor Logic ή RTL) Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (Diode-Transistor Logic ή DTL)Ασκήσεις

2


Επανάληψη

άλγεβρας

BooleΕπανάληψη

άλγεβρας

Boole

3

Λογικά

Κυκλώματα

με


και

BJTs


Επανάληψη

άλγεβρας


άλγεβρας

Boole

Άλγεβρα για το χειρισμό δυαδικών λογικών εκφράσεωνΒασικές λογικές πράξεις:

4

Πράξη Αναπαράσταση

BooleΝΟΤORANDNORNAND

Z A=Z A B= +Z A B AB= ⋅ =

Z A B= +Z A B AB= ⋅ =


Πίνακες αληθείας και σύμβολα των αντίστοιχων πυλών

Α Β0 0 00 1 11 0 11 1 1

Επανάληψη

άλγεβρας


άλγεβρας

Boole

5

Α0 11 0

Z A= Z A B= + Α Β0 0 00 1 01 0 01 1 1

Z AB=

ΝΟΤ OR AND


Πίνακες αληθείας και σύμβολα των αντίστοιχων πυλών

Α Β0 0 10 1 01 0 01 1 0

Επανάληψη

άλγεβρας


άλγεβρας

Boole

6

Z A B= + Α Β0 0 10 1 11 0 11 1 0

Z AB=

NOR NAND


Χρήσιμες

ταυτότητες

της

Άλγεβρας

BooleΠράξη

ταυτότητας

Αντιμεταθετικός

νόμοςΠροσεταιριστικός

Νόμος

Επιμεριστικός

Νόμος

Επανάληψη

άλγεβρας


άλγεβρας

Boole

7

0A A+ = 1A A⋅ =A B B A+ = + A B B A⋅ = ⋅

( ) ( )A B C A B C+ + = + + ( ) ( )A B C A B C⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

( ) ( )A B C A B A C+ ⋅ = + ⋅ + ( )A B C A B A C⋅ + = ⋅ + ⋅1A A+ = 0A A⋅ =

A A A+ = A A A⋅ =1 1A+ = 0 0A⋅ =

A B A B+ = ⋅ A B A B⋅ = +


Λογική

με

διόδουςΛογική

με

διόδους

8

Λογικά

Κυκλώματα

με


και

BJTs


Από τις πιο απλές κυκλωματικές τεχνικές για υλοποίηση τωνσυναρτήσεων AND και ORΠεριορισμένη πρακτική χρησιμότητα ως αυτόνομακυκλώματαΕισαγωγή στην υλοποίηση λογικών κυκλωμάτωνΧρήση σε πιο πολύπλοκα κυκλώματα, όπου συνδυάζειλογικά μερικά σήματα εισόδου

Λογική

με

διόδουςΛογική

με

διόδους

9


Κυκλωματικό διάγραμμα

Λογική

με

διόδους

–

Η πύλη ORΛογική

με

διόδους

–

Η πύλη OR

10


Ανάλυση για Α=“1”=5V και Β=“0”=0VD1 σε αγωγήD2 ανάστροφα πολωμένηΗ uo είναι μια πτώση τάσης ορθήςφοράς της διόδου μικρότερη από τα5Volts στο σημείο Αuo = 5V-0.6V=4.4V Λογικό “1”

Λογική

με

διόδους

–


με

διόδους

–

Η πύλη OR

11


Αν τουλάχιστον μια από τις εισόδουςείναι στα 5Volts, τότε η έξοδος τηςπύλης θα είναι 4.4VoltsΑν και οι δύο είσοδοι είναι στα0Volts, τότε μόνο και η έξοδος θαείναι στα 0VoltsΥλοποιεί πράγματι τη λογική πράξηOR

Λογική

με

διόδους

–


με

διόδους

–

Η πύλη OR

12


Κυκλωματικό διάγραμμαΠροκύπτει από την πύλη OR αν αντιστρέψουμε τις διόδουςκαι την πολικότητα της τροφοδοσίας

Λογική

με

διόδους

–

Η πύλη ANDΛογική

με

διόδους

–

Η πύλη AND

13


Ανάλυση για Α=“1”=5V και Β=“0”=0VD1 ανάστροφα πολωμένηD2 σε αγωγήΗ uo είναι μια πτώση τάσης ορθήςφοράς της διόδου D2 πάνω από τηντάση της γείωσης (σημείο Β)uo = 0V+0.6V=0.6V Λογικό “0”

Λογική

με

διόδους

–


με

διόδους

–

Η πύλη AND

14


Αν είτε μια είτε και οι δύο είσοδοιείναι στα 0Volts, τότε η έξοδος τηςπύλης θα είναι 0.6VoltsΜόνο όταν και οι δύο είσοδοι είναιστα 5Volts, θα είναι και η έξοδος στα5VoltsΥλοποιεί πράγματι τη λογική πράξηAND

Λογική

με

διόδους

–


με

διόδους

–

Η πύλη AND

15


Παρέχει απλές υλοποιήσεις των λογικών συναρτήσεωναλλά…Τα λογικά επίπεδα δεν αναπαράγονται στην έξοδο της πύληςΌταν συνδέονται παρόμοιες πύλες σε σειρά, το επίπεδοεξόδου υποβαθμίζεται κατά μια πτώση τάσης ορθής φοράςμιας διόδου από κάθε πύλη στη σειράΑν υπάρχουν πολλές πύλες σε σειρά, η τάση εξόδου δεναναπαριστά πια τη σωστή δυαδική κατάσταση

Λογική

με

διόδους

–

ΜειονεκτήματαΛογική

με

διόδους

–

Μειονεκτήματα

16


Λογική

Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (Resistor-Transistor Logic ή

RTL)

Λογική

Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (Resistor-Transistor Logic ή

RTL)

17

Λογικά

Κυκλώματα

με


και

BJTs


Ο βασικός αντιστροφέας BJT και η χαρακτηριστικήμεταφοράς του

Λογική

Αντιστάσεων-Τρανζίστορ

(RTL) Λογική


(RTL)

18


Πύλη NOR δύο εισόδων της οικογένειας RTLΠροκύπτει συνδέοντας παράλληλα τις εξόδουςδύο ή περισσότερων βασικών αντιστροφέων

Λογική


(RTL) Λογική


(RTL)

19


Λειτουργία της πύληςΑν κάποια είσοδος είναι στο λογικό “1”, το αντίστοιχο τρανζίστορ θα είναι στονκόρο uY=VCEsat=“0”Αν και η άλλη είσοδος είναι στο λογικό“1”, και το άλλο τρανζίστορ θα είναι στονκόρο, όποτε η έξοδος παραμένει στο “0”Μόνο αν και τα δύο τρανζίστορ είναιαποκομμένα (και οι δύο είσοδοι στολογικό μηδέν), η έξοδος είναι στο λογικό“1”, uY=VCC=“1”

Λογική


(RTL) Λογική


(RTL)

20


Λειτουργία της πύληςΗ έκφραση Boole είναι επομένωςή αλλιώτικαΠρόκειται δηλαδή για τη συνάρτηση NORΤο fan-in της RTL πύλης NOR μπορεί νααυξηθεί αν προσθέσουμε περισσότερατρανζίστορ στην είσοδο

Λογική


(RTL) Λογική


(RTL)

21

Y A B= ⋅Y A B= +


Μειονεκτήματα της οικογένειας RTLΤο VOH είναι μεν στο VCC όταν η πύλη είναι μόνητης, αλλά όχι και όταν οδηγεί παρόμοιες πύλεςΤο συνολικό ρεύμα βάσης των τρανζίστορ εισόδουτων οδηγούμενων πυλών τροφοδοτείται από τηνRC της οδηγού πύλης, άρα η VOH είναι σημαντικάχαμηλότερη από VCCΜάλιστα η VOH μειώνεται καθώς αυξάνεται το fan-out της πύληςΤα περιθώριο θορύβου της πύλης RTL είναιλοιπόν στενάΕπίσης έχει μεγάλη κατανάλωση ισχύος

Λογική


(RTL) Λογική


(RTL)

22


Το SR Flip-Flop RTLΠροκύπτει με χιαστί σύνδεση δύο RTLπυλών NOR δύο εισόδων

Λογική


(RTL) Λογική


(RTL)

23


Λογική

Διόδων-Τρανζίστορ (Diode-Transistor Logic ή

DTL)

Λογική

Διόδων-Τρανζίστορ (Diode-Transistor Logic ή

DTL)

24

Λογικά

Κυκλώματα

με


και

BJTs


Πύλη NAND δύο εισόδων της οικογένειας DTL σε διακριτήμορφήΕίναι ο πρόγονος της λογικής TTL

Λογική

Διόδων-Τρανζίστορ

(DTL) Λογική


(DTL)

25


Λειτουργία της πύληςΈστω είσοδος B ανοιχτήκαι λογικό μηδέν στην είσοδο ΑD1 θα άγειΆρα η τάση στον κόμβο X ισούται με μιαπτώση τάσης αγωγής διόδου (0.7V) πάνω απότο λογικό 0 D3 και D4 άγουνΗ τάση στη βάση του τρανζίστορ είναι δύοτάσεις αγωγής διόδου κάτω από την τάση στονκόμβο X (δηλ. μια μικρή αρνητική τάση)Άρα το Q είναι αποκομμένο και uY=VCC(λογικό 1)

Λογική


(DTL) Λογική


(DTL)

26


Λειτουργία της πύληςΑυξάνουμε την τάση uA

D1 συνεχίζει να άγειΟ κόμβος X αυξάνει σε δυναμικόD3, D4 συνεχίζουν να άγουνΗ βάση αυξάνει σε δυναμικό…Μέχρι να φτάσει περίπου τα 0.5V οπότεαρχίζει να άγει το τρανζίστορΤότε η uA≈0.5+VD4+VD3-VD1≈1.2V

Λογική


(DTL) Λογική


(DTL)

27


Λειτουργία της πύληςΤελικά η τάση στη βάση θα φτάσει τα 0.7VΚαι η τάση στον κόμβο X θα σταθεροποιηθεί στιςδύο πτώσεις τάσης αγωγής διόδου πάνω από τη VBEΠεραιτέρω αυξήσεις της uA ανάστροφη πόλωσητης D1Για uA περίπου 1.4V το ρεύμα στη D1 αρχίζει ναελαττώνεται…Και όταν σταματήσει να άγει η D1, όλο το ρεύμαμέσα από την R1 θα περνάει μέσω των D3, D4 στηβάση του τρανζίστορΑυτό το ρεύμα πρέπει να είναι ικανό να οδηγήσειτο τρανζίστορ σε κόρο

Λογική


(DTL) Λογική


(DTL)

28


Λειτουργία της πύληςΣυνεπώς, όταν το A είναι σε λογικό 1, τοτρανζίστορ είναι σε κόρο και η uY θα ισούταιμε VCEsat(≈ 0.2V) , δηλαδή έχουμε λογικό 0 στην έξοδοΑν είτε μία είτε και οι δύο είσοδοι είναι σεχαμηλό επίπεδο, η αντίστοιχη δίοδος (D1, D2ή και οι δύο) θα άγει, το τρανζίστορ θα είναιαποκομμένο και η έξοδος Y θα είναι σε υψηλόεπίπεδοΗ έξοδος είναι low εάν το τρανζίστορ άγει, δηλαδή μόνο εάν όλες οι είσοδοι είναι high

Λογική


(DTL) Λογική


(DTL)

29


Λειτουργία της πύληςΕπομένως, η έκφραση Boole δίνεται ωςεξής:δηλαδήπου είναι η συνάρτηση NAND

Λογική


(DTL) Λογική


(DTL)

30

Y A B= ⋅

Y A B= ⋅


Αναμενόμενο αποτέλεσμα…Το κύκλωμα DTL αποτελείται από μίαπύλη AND διόδων που σχηματίζεται απότις διόδους D1 και D2 και την αντίστασηR1…και στη συνέχεια έναν αντιστροφέατρανζίστορΟπότε η συνολική συνάρτηση είναι ηNAND

Λογική


(DTL) Λογική


(DTL)

31


Το κύκλωμα που παρουσιάστηκε είναι η πύλη DTL σεδιακριτή μορφήΤο κύκλωμα DTL με μία είσοδο σε μορφή ολοκληρωμένου:

Λογική


(DTL) Λογική


(DTL)

32


Για καλύτερη εισαγωγή στην TTL, η δίοδος εισόδου είναισχεδιασμένη ως τρανζίστορ σε συνδεσμολογία διόδου (Q1), όπωςπράγματι κατασκευάζεται στα ολοκληρωμένα κυκλώματαΔιαφορές από το διακριτό κύκλωμα DTL:Η μία από τις δύο καθοδηγητικές διόδους (D3, D4) έχειαντικατασταθεί από την ένωση εκπομπού-βάσης ενός τρανζίστορ(Q2) που είναι είτε αποκομμένο (είσοδος low) είτε στην ενεργόπεριοχή (είσοδος high)H RB συνδέεται στη γη και όχι σε αρνητική τροφοδοσία

+ εξάλειψη της επιπλέον τροφοδοσίας- το ανάστροφο ρεύμα βάσης για την αφαίρεση του πλεονάζοντος φορτίουστη βάση του Q3 είναι μάλλον μικρό

Λογική


(DTL) Λογική


(DTL)

33


+ Σχετικά καλά περιθώρια θορύβου+ Ικανοποιητική δυνατότητα fan-out– Αργή απόκριση

Πρόκειται για ξεπερασμένη τεχνολογία

Χαρακτηριστικά

Κυκλωμάτων

DTLΧαρακτηριστικά

Κυκλωμάτων

DTL

34


Η τιμή του ανάστροφου ρεύματος βάσης, που πραγματοποιείτην εκφόρτιση της βάσης είναι πολύ μικρήΌταν η είσοδος κατεβαίνει, Q2, D αποκόπτονται, το φορτίο στηβάση του Q3 θα διαρρεύσει μέσω της RB προς τη γηΑρχική τιμή του ρεύματος 0.7V/RB, περίπου 0.14mAΠολύ μικρό σε σύγκριση με το ορθό ρεύμα βάσηςΟ χρόνος για την αφαίρεση του φορτίου είναι μεγάλος, καιεπιμηκύνει την καθυστέρηση της πύλης

Αιτίες

για

την

αργή

απόκριση

(1)Αιτίες

για

την

αργή

απόκριση

(1)

35


Η φύση του κυκλώματος εξόδου (κοινόςεκπομπός)Όταν το Q3 άγει, επειδή η τάση δεν πέφτειαμέσως λόγω της CL, το Q3 θα περάσει από τηνενεργό περιοχή και ως σταθερή πηγή ρεύματος(βIB, μεγάλο ρεύμα…) θα εκφορτίσει πολύγρήγορα τη CL (Μικρός χρόνος αγωγής – θετικό)Όταν το Q3 δεν άγει, η τάση εξόδου δεν φτάνειαμέσως τη VCC… η CL πρέπει να φορτιστεί μέχριτην VCC μέσω της RC, που είναι αργή διαδικασία

Αιτίες

για

την

αργή

απόκριση

(2)Αιτίες

για

την

αργή

απόκριση

(2)

36


Η Λογική Τρανζίστορ-Τρανζίστορ (TTL) αποτελεί εξέλιξητης DTL οικογένειαςΗ επόμενη διάλεξη (3) είναι αφιερωμένη στην τεχνολογίαTTLΈχοντας εντοπίσει τους δύο λόγους για την αργή απόκρισητων πυλών DTL, στην διάλεξη 3 θα δούμε πως διορθώνονταιτα προβλήματα αυτά στην τεχνολογία TTL

Η εξέλιξη της DTLΗ εξέλιξη της DTL

37


ΑσκήσειςΑσκήσεις

38

Λογικά

Κυκλώματα

με


και

BJTs


Άσκηση

1 – Εκφώνηση

(προς

λύση)Άσκηση


(προς

λύση)

39

Για την πύλη DTL στο σχήμα της διαφάνειας 25, υπολογίστετο συνολικό ρεύμα σε κάθε τροφοδοσία καθώς επίσης καιτην κατανάλωση ισχύος της πύλης στις εξής δύοπεριπτώσεις: υy ψηλά και υy χαμηλά. Κατόπιν βρείτε τηνμέση κατανάλωση ισχύος στην πύλη DTL.


Άσκηση


(προς

λύση)Άσκηση


(προς

λύση)

40

Ένας μικροεπεξεργαστής πρέπει να οδηγήσει ένα δίαυλο (Bus) δεδομένων 64 bit, στονοποίο η κάθε γραμμή έχει χωρητικό φορτίο ίσο με 40 pF, και η λογική διακύμανσηείναι 5V. Οι οδηγοί του διαύλου πρέπει να εκφορτίζουν την χωρητικότητα του φορτίουαπό 5V σε 0V σε 1 nS, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Να σχεδιάσετε τηνκυματομορφή για το ρεύμα στην έξοδο του οδηγού του διαύλου σε συνάρτηση με τονχρόνο για την υποδεικνυόμενη κυματομορφή. Ποιο είναι το ρεύμα κορυφής στο chipτου μικροεπεξεργαστή, αν και οι 64 οδηγοί μετάγονται ταυτόχρονα;


Η

διάλεξη

έγινε

στο

πλαίσιο

του

προγράμματος

EΠΕΑΕΚ

II

από

το

μεταπτυχιακό

φοιτητή

Παπαμιχαήλ

Μιχαήλ

για

το

μάθημα

Ψηφιακά

Ολοκληρωμένα

Κυκλώματα

και

Συστήματα

Καθηγητής

Κωνσταντίνος

Ευσταθίου

©2008

Η

διάλεξη

έγινε

στο

πλαίσιο

του

προγράμματος

EΠΕΑΕΚ

II

από

το

μεταπτυχιακό

φοιτητή

Παπαμιχαήλ

Μιχαήλ

για

το

μάθημα

Ψηφιακά

Ολοκληρωμένα

Κυκλώματα

και

Συστήματα

Καθηγητής

Κωνσταντίνος

Ευσταθίου

©2008

41

Πανεπιστήμιο

Πατρών, Πολυτεχνική

Σχολή

Τμήμα

Ηλεκτρολόγων

Μηχανικών

& Τεχνολογίας

Υπολογιστών

Τομέας

Ηλεκτρονικής

& Υπολογιστών, Εργαστήριο

Ηλεκτρονικών

Εφαρμογών

Λογικά Κυκλώματα Με Διόδους

Documents

Transcript of Λογικά Κυκλώματα Με Διόδους