Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs
Δομή της διάλεξης
y Επανάληψη άλγεβρας Boole y Λογική με διόδους y Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (Resistor-Transistor Logic
ή RTL) y Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (Diode-Transistor Logic ή DTL) y Ασκήσεις
2 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs
Επανάληψη άλγεβρας Boole
3 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Επανάληψη άλγεβρας Boole
y Άλγεβρα για το χειρισμό δυαδικών λογικών εκφράσεων y Βασικές λογικές πράξεις: Πράξη ΝΟΤ OR AND NOR NAND
Αναπαράσταση Boole
Z=A Z = A+B Z = A ⋅ B = AB Z = A+B Z = A ⋅ B = AB
4 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Επανάληψη άλγεβρας Boole
y Πίνακες αληθείας και σύμβολα των αντίστοιχων πυλών ΝΟΤ
OR
AND
Α
Z=A
Α
Β
Z = A+B
Α
Β
Z = AB
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
5 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Επανάληψη άλγεβρας Boole
y Πίνακες αληθείας και σύμβολα των αντίστοιχων πυλών NOR
NAND
Α
Β
Z = A+B
Α
Β
Z = AB
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
6 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Επανάληψη άλγεβρας Boole
Χρήσιμες ταυτότητες της Άλγεβρας Boole
A+0 = A A+B = B+ A A + ( B + C ) = ( A + B) + C A + B ⋅ C = ( A + B) ⋅ ( A + C ) A+ A =1
A+ A = A A +1= 1 A + B = A⋅ B
A ⋅1 = A A⋅B = B ⋅ A A ⋅ ( B ⋅ C ) = ( A ⋅ B) ⋅ C A ⋅ ( B + C) = A ⋅ B + A ⋅ C A⋅ A = 0 A⋅ A = A A⋅ 0 = 0 A⋅ B = A + B
Πράξη ταυτότητας Αντιμεταθετικός νόμος Προσεταιριστικός Νόμος Επιμεριστικός Νόμος
7 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs
Λογική με διόδους
8 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική με διόδους
y Από τις πιο απλές κυκλωματικές τεχνικές για υλοποίηση των
συναρτήσεων AND και OR y Περιορισμένη πρακτική χρησιμότητα ως αυτόνομα κυκλώματα y Εισαγωγή στην υλοποίηση λογικών κυκλωμάτων y Χρήση σε πιο πολύπλοκα κυκλώματα, όπου συνδυάζει λογικά μερικά σήματα εισόδου
9 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική με διόδους – Η πύλη OR
y Κυκλωματικό διάγραμμα
10 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική με διόδους – Η πύλη OR
y Ανάλυση για Α=“1”=5V και Β=“0”=0V
D1 σε αγωγή y D2 ανάστροφα πολωμένη y Η uo είναι μια πτώση τάσης ορθής φοράς της διόδου μικρότερη από τα 5Volts στο σημείο Α y uo = 5V-0.6V=4.4V Æ Λογικό “1” y
11 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική με διόδους – Η πύλη OR
y Αν τουλάχιστον μια από τις εισόδους
είναι στα 5Volts, τότε η έξοδος της πύλης θα είναι 4.4Volts y Αν και οι δύο είσοδοι είναι στα 0Volts, τότε μόνο και η έξοδος θα είναι στα 0Volts y Υλοποιεί πράγματι τη λογική πράξη OR
12 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική με διόδους – Η πύλη AND
y Κυκλωματικό διάγραμμα y Προκύπτει από την πύλη OR αν αντιστρέψουμε τις διόδους
και την πολικότητα της τροφοδοσίας
13 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική με διόδους – Η πύλη AND
y Ανάλυση για Α=“1”=5V και Β=“0”=0V
D1 ανάστροφα πολωμένη y D2 σε αγωγή y Η uo είναι μια πτώση τάσης ορθής φοράς της διόδου D2 πάνω από την τάση της γείωσης (σημείο Β) y uo = 0V+0.6V=0.6V Æ Λογικό “0” y
14 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική με διόδους – Η πύλη AND
y Αν είτε μια είτε και οι δύο είσοδοι
είναι στα 0Volts, τότε η έξοδος της πύλης θα είναι 0.6Volts y Μόνο όταν και οι δύο είσοδοι είναι στα 5Volts, θα είναι και η έξοδος στα 5Volts y Υλοποιεί πράγματι τη λογική πράξη AND
15 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική με διόδους – Μειονεκτήματα
y Παρέχει απλές υλοποιήσεις των λογικών συναρτήσεων
αλλά… y Τα λογικά επίπεδα δεν αναπαράγονται στην έξοδο της πύλης y Όταν συνδέονται παρόμοιες πύλες σε σειρά, το επίπεδο εξόδου υποβαθμίζεται κατά μια πτώση τάσης ορθής φοράς μιας διόδου από κάθε πύλη στη σειρά y Αν υπάρχουν πολλές πύλες σε σειρά, η τάση εξόδου δεν αναπαριστά πια τη σωστή δυαδική κατάσταση
16 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs
Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (Resistor-Transistor Logic ή RTL)
17 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL)
y Ο βασικός αντιστροφέας BJT και η χαρακτηριστική
μεταφοράς του
18 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL)
y Πύλη NOR δύο εισόδων της οικογένειας RTL y
Προκύπτει συνδέοντας παράλληλα τις εξόδους δύο ή περισσότερων βασικών αντιστροφέων
19 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL)
y Λειτουργία της πύλης
Αν κάποια είσοδος είναι στο λογικό “1”, το αντίστοιχο τρανζίστορ θα είναι στον κόρο Æ uY=VCEsat=“0” y Αν και η άλλη είσοδος είναι στο λογικό “1”, και το άλλο τρανζίστορ θα είναι στον κόρο, όποτε η έξοδος παραμένει στο “0” y Μόνο αν και τα δύο τρανζίστορ είναι αποκομμένα (και οι δύο είσοδοι στο λογικό μηδέν), η έξοδος είναι στο λογικό “1”, uY=VCC=“1” y
20 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL)
y Λειτουργία της πύλης
Η έκφραση Boole είναι επομένως Y = A ⋅ B ή αλλιώτικα Y = A + B Πρόκειται δηλαδή για τη συνάρτηση NOR y Το fan-in της RTL πύλης NOR μπορεί να αυξηθεί αν προσθέσουμε περισσότερα τρανζίστορ στην είσοδο y
21 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL)
y Μειονεκτήματα της οικογένειας RTL y Το VOH είναι μεν στο VCC όταν η πύλη είναι μόνη y
y y y
της, αλλά όχι και όταν οδηγεί παρόμοιες πύλες Το συνολικό ρεύμα βάσης των τρανζίστορ εισόδου των οδηγούμενων πυλών τροφοδοτείται από την RC της οδηγού πύλης, άρα η VOH είναι σημαντικά χαμηλότερη από VCC Μάλιστα η VOH μειώνεται καθώς αυξάνεται το fanout της πύλης Τα περιθώριο θορύβου της πύλης RTL είναι λοιπόν στενά Επίσης έχει μεγάλη κατανάλωση ισχύος
22 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL)
y Το SR Flip-Flop RTL y
Προκύπτει με χιαστί σύνδεση δύο RTL πυλών NOR δύο εισόδων
23 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (Diode-Transistor Logic ή DTL)
24 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL)
y Πύλη NAND δύο εισόδων της οικογένειας DTL σε διακριτή
μορφή y Είναι ο πρόγονος της λογικής TTL
25 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL)
y
Λειτουργία της πύλης Έστω είσοδος B ανοιχτή και λογικό μηδέν στην είσοδο Α D1 θα άγει Άρα η τάση στον κόμβο X ισούται με μια πτώση τάσης αγωγής διόδου (0.7V) πάνω από το λογικό 0 y D3 και D4 άγουν y Η τάση στη βάση του τρανζίστορ είναι δύο τάσεις αγωγής διόδου κάτω από την τάση στον κόμβο X (δηλ. μια μικρή αρνητική τάση) y Άρα το Q είναι αποκομμένο και uY=VCC (λογικό 1) y y y y
26 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL)
y Λειτουργία της πύλης
Αυξάνουμε την τάση uA y D1 συνεχίζει να άγει y Ο κόμβος X αυξάνει σε δυναμικό y D3, D4 συνεχίζουν να άγουν y Η βάση αυξάνει σε δυναμικό y …Μέχρι να φτάσει περίπου τα 0.5V οπότε αρχίζει να άγει το τρανζίστορ y Τότε η uA≈0.5+VD4+VD3-VD1≈1.2V y
27 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL)
y Λειτουργία της πύλης y Τελικά η τάση στη βάση θα φτάσει τα 0.7V y Και η τάση στον κόμβο X θα σταθεροποιηθεί στις y y y
y
δύο πτώσεις τάσης αγωγής διόδου πάνω από τη VBE Περαιτέρω αυξήσεις της uA Æ ανάστροφη πόλωση της D1 Για uA περίπου 1.4V το ρεύμα στη D1 αρχίζει να ελαττώνεται …Και όταν σταματήσει να άγει η D1, όλο το ρεύμα μέσα από την R1 θα περνάει μέσω των D3, D4 στη βάση του τρανζίστορ Αυτό το ρεύμα πρέπει να είναι ικανό να οδηγήσει το τρανζίστορ σε κόρο
28 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL)
y
Λειτουργία της πύλης y Συνεπώς, όταν το A είναι σε λογικό 1, το
τρανζίστορ είναι σε κόρο και η uY θα ισούται με VCEsat(≈ 0.2V) , δηλαδή έχουμε λογικό 0 στην έξοδο y Αν είτε μία είτε και οι δύο είσοδοι είναι σε χαμηλό επίπεδο, η αντίστοιχη δίοδος (D1, D2 ή και οι δύο) θα άγει, το τρανζίστορ θα είναι αποκομμένο και η έξοδος Y θα είναι σε υψηλό επίπεδο y Η έξοδος είναι low εάν το τρανζίστορ άγει, δηλαδή μόνο εάν όλες οι είσοδοι είναι high 29 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL)
y Λειτουργία της πύλης
Επομένως, η έκφραση Boole δίνεται ως εξής: Y = A ⋅ B y δηλαδή Y = A ⋅ B y που είναι η συνάρτηση NAND y
30 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL)
y Αναμενόμενο αποτέλεσμα…
Το κύκλωμα DTL αποτελείται από μία πύλη AND διόδων που σχηματίζεται από τις διόδους D1 και D2 και την αντίσταση R1 y …και στη συνέχεια έναν αντιστροφέα τρανζίστορ y Οπότε η συνολική συνάρτηση είναι η NAND y
31 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL)
y Το κύκλωμα που παρουσιάστηκε είναι η πύλη DTL σε
διακριτή μορφή y Το κύκλωμα DTL με μία είσοδο σε μορφή ολοκληρωμένου:
32 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL)
Για καλύτερη εισαγωγή στην TTL, η δίοδος εισόδου είναι σχεδιασμένη ως τρανζίστορ σε συνδεσμολογία διόδου (Q1), όπως πράγματι κατασκευάζεται στα ολοκληρωμένα κυκλώματα y Διαφορές από το διακριτό κύκλωμα DTL: y
y Η μία από τις δύο καθοδηγητικές διόδους (D3, D4) έχει
αντικατασταθεί από την ένωση εκπομπού-βάσης ενός τρανζίστορ (Q2) που είναι είτε αποκομμένο (είσοδος low) είτε στην ενεργό περιοχή (είσοδος high) y H RB συνδέεται στη γη και όχι σε αρνητική τροφοδοσία y + εξάλειψη της επιπλέον τροφοδοσίας y - το ανάστροφο ρεύμα βάσης για την αφαίρεση του πλεονάζοντος φορτίου
στη βάση του Q3 είναι μάλλον μικρό
33 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Χαρακτηριστικά Κυκλωμάτων DTL
y + y + y –
Σχετικά καλά περιθώρια θορύβου Ικανοποιητική δυνατότητα fan-out Αργή απόκριση
y Πρόκειται για ξεπερασμένη τεχνολογία
34 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Αιτίες για την αργή απόκριση (1)
y Η τιμή του ανάστροφου ρεύματος βάσης, που πραγματοποιεί
την εκφόρτιση της βάσης είναι πολύ μικρή Όταν η είσοδος κατεβαίνει, Q2, D αποκόπτονται, το φορτίο στη βάση του Q3 θα διαρρεύσει μέσω της RB προς τη γη y Αρχική τιμή του ρεύματος 0.7V/RB, περίπου 0.14mA y Πολύ μικρό σε σύγκριση με το ορθό ρεύμα βάσης y Ο χρόνος για την αφαίρεση του φορτίου είναι μεγάλος, και επιμηκύνει την καθυστέρηση της πύλης y
35 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Αιτίες για την αργή απόκριση (2)
y
Η φύση του κυκλώματος εξόδου (κοινός εκπομπός) y Όταν το Q3 άγει, επειδή η τάση δεν πέφτει
αμέσως λόγω της CL, το Q3 θα περάσει από την ενεργό περιοχή και ως σταθερή πηγή ρεύματος (βIB, μεγάλο ρεύμα…) θα εκφορτίσει πολύ γρήγορα τη CL (Μικρός χρόνος αγωγής – θετικό) y Όταν το Q3 δεν άγει, η τάση εξόδου δεν φτάνει αμέσως τη VCC… η CL πρέπει να φορτιστεί μέχρι την VCC μέσω της RC, που είναι αργή διαδικασία 36 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Η εξέλιξη της DTL
y Η Λογική Τρανζίστορ-Τρανζίστορ (TTL) αποτελεί εξέλιξη
της DTL οικογένειας y Η επόμενη διάλεξη (3) είναι αφιερωμένη στην τεχνολογία TTL y Έχοντας εντοπίσει τους δύο λόγους για την αργή απόκριση των πυλών DTL, στην διάλεξη 3 θα δούμε πως διορθώνονται τα προβλήματα αυτά στην τεχνολογία TTL
37 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs
Ασκήσεις
38 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 1 – Εκφώνηση (προς λύση) y Για την πύλη DTL στο σχήμα της διαφάνειας 25, υπολογίστε
το συνολικό ρεύμα σε κάθε τροφοδοσία καθώς επίσης και την κατανάλωση ισχύος της πύλης στις εξής δύο περιπτώσεις: υy ψηλά και υy χαμηλά. Κατόπιν βρείτε την μέση κατανάλωση ισχύος στην πύλη DTL.
39 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 2 – Εκφώνηση (προς λύση) y
Ένας μικροεπεξεργαστής πρέπει να οδηγήσει ένα δίαυλο (Bus) δεδομένων 64 bit, στον οποίο η κάθε γραμμή έχει χωρητικό φορτίο ίσο με 40 pF, και η λογική διακύμανση είναι 5V. Οι οδηγοί του διαύλου πρέπει να εκφορτίζουν την χωρητικότητα του φορτίου από 5V σε 0V σε 1 nS, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Να σχεδιάσετε την κυματομορφή για το ρεύμα στην έξοδο του οδηγού του διαύλου σε συνάρτηση με τον χρόνο για την υποδεικνυόμενη κυματομορφή. Ποιο είναι το ρεύμα κορυφής στο chip του μικροεπεξεργαστή, αν και οι 64 οδηγοί μετάγονται ταυτόχρονα;
40 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Πανεπιστήμιο Πατρών, Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρονικής & Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών
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 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου