ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Τ.Ε. ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ.

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Τ.Ε. ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ."

Τώβιας Αναγνωστάκης
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΨΗΦΙΑΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Γιάννης Λιαπέρδος

2 2 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΔΙΑΛΕΞΗΣ Άλγεβρα Διακοπτών Κυκλωματική Υλοποίηση Λογικών Πυλών με Ηλεκτρονικά Ελεγχόμενους Διακόπτες Υλοποίηση λογικών συναρτήσεων σε τεχνολογία CMOS Άλλες Λογικές «Οικογένειες»

3 3 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ sites.google.com/site/electronicsteipel (Εκπαιδευτικό Υλικό>Ψηφιακά Ηλεκτρονικά>Θεωρία> >Συμπληρωματικές Σημειώσεις>Σχεδίαση Λογικών Κυκλωμάτων) «Ηλεκτρονική για την Πληροφορική και τις Τηλεπικοινωνίες», κεφ. 3, παρ. 3.3 και 3.4 (sites.google.com/site/electronicsteipel Εκπαιδευτικό Υλικό>Αναλογικά Ηλεκτρονικά>Θεωρία>Σημειώσεις)

4 4 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Λογικές καταστάσεις ενός διακόπτη 0 1

5 5 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Υλοποίηση της λογικής πράξης AND με διακόπτες A B A B A Β Α Β

6 6 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Υλοποίηση της λογικής πράξης AND με διακόπτες Α Β

7 7 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Υλοποίηση της λογικής πράξης AND με διακόπτες

8 8 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Υλοποίηση της λογικής πράξης OR με διακόπτες A B A+B A Β Α+Β

9 9 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Υλοποίηση της λογικής πράξης OR με διακόπτες A B

10 10 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Υλοποίηση της λογικής πράξης OR με διακόπτες

11 11 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Απόδειξη ταυτοτήτων της άλγεβρας Boole με τη βοήθεια της άλγεβρας διακοπτών A A+A=? A = 0 = 1 A A+A=A

12 12 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Απόδειξη ταυτοτήτων της άλγεβρας Boole με τη βοήθεια της άλγεβρας διακοπτών A A+0=? 0 = 0 = 1 A A+0=A

13 13 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Απόδειξη ταυτοτήτων της άλγεβρας Boole με τη βοήθεια της άλγεβρας διακοπτών A A+1=? 1 = 0 = 1 1 A+1=1

14 14 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Απόδειξη ταυτοτήτων της άλγεβρας Boole με τη βοήθεια της άλγεβρας διακοπτών A A+Α=? A A A = 0 = 1 1 A+Α=1

15 15 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Απόδειξη ταυτοτήτων της άλγεβρας Boole με τη βοήθεια της άλγεβρας διακοπτών A Α=? A Ā A Ā = 0 = 1 0 A Α=0

16 16 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Οι κανόνες της Άλγεβρας Διακοπτών ταυτίζονται με τους κανόνες της Άλγεβρας Boole, επομένως, μπορούμε να υλοποιούμε σύνθετες συναρτήσεις της Άλγεβρας Boole με διακόπτες

17 17 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Παράδειγμα: Δίνεται το κύκλωμα του πιο κάτω σχήματος (έχει, άραγε, κάποια χρησιμότητα;). Να υλοποιηθεί με (μηχανικούς) διακόπτες.

18 18 ΑΛΓΕΒΡΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Απάντηση: A Β Β C C A Τι συμβαίνει όταν A=B=C=0?

19 19 Ηλεκτρονόμος (Relay)

20 20 Λειτουργία Ηλεκτρονόμου ΙΝ Control OUT

21 21 Λειτουργία Ηλεκτρονόμου ΙΝ Control OUT

22 22 Λειτουργία Ηλεκτρονόμου Control ΙΝ OUT

23 23 Προβλήματα Υλοποίησης Λογικών Κυκλωμάτων με Ηλεκτρομηχανικούς Διακόπτες Όγκος ENIAC λυχνίες κενού 7200 κρυσταλλοδίοδοι 1500 ηλεκτρονόμοι αντιστάτες πυκνωτές συγκολλήσεις 30 τόνοι

24 24 Προβλήματα Υλοποίησης Λογικών Κυκλωμάτων με Ηλεκτρομηχανικούς Διακόπτες Κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος ENIAC kw * * Λέγεται πως όταν λειτουργούσε ο ENIAC τα φώτα στην πόλη της Φιλαδέλφειας φωτοβολούσαν πιο αμυδρά!

25 25 Προβλήματα Υλοποίησης Λογικών Κυκλωμάτων με Ηλεκτρομηχανικούς Διακόπτες Μειωμένη Αξιοπιστία ENIAC 1946 (βλάβες, bugs!)

26 26 Ηλεκτρονικές Λυχνίες Κενού γυάλινο περίβλημα άνοδος πλέγμα κάθοδος θερμαντήρας

27 27 Τρανζίστορ B C E G D S

28 28 Γενική Μορφή Ιδανικού Ηλεκτρονικά Ελεγχόμενου Διακόπτη C IN OUT

29 29 Τύποι Ιδανικών Ηλεκτρονικά Ελεγχόμενων Διακοπτών Ø 1 IN n OUT IN n OU Ø 1 n OUT IN n OUT

30 30 Τύποι Ιδανικών Ηλεκτρονικά Ελεγχόμενων Διακοπτών Ø 1 IN p OUT IN p O Ø 1 p OUT IN p OUT

31 31 Ποια η λειτουργία του πιο κάτω κυκλώματος; +5V +5V Ø V in n 1 n V out = 0V = Ø Ποιος ο ρόλος του αντιστάτη; 0V 0V

32 32 Πύλη «Ταυτότητας» (Α=Α) +5V +5V Ø n 1 n V out = 0V = Ø V out = 5V = 1 0V 0V

33 33 Ποια η λειτουργία του πιο κάτω κυκλώματος; +5V +5V V out = 5V = 1 Ø n 1 n V in 0V 0V

34 34 +5V Πύλη «Αναστροφής» (Α ΝΟΤ) +5V V out = 5V = 1 V out = 0V = Ø Ø n 1 n 0V 0V

35 35 +5V Α n Πύλη AND Β n V out = Α Β 0V

36 36 +5V V out = Α+Β AB Πύλη NAND Α p n Β n p 0V

37 37 +5V Πύλη OR Α n n Β V out = Α+Β 0V

38 38 +5V Πύλη NOR V out = Α Β A+B Α n p n p Β 0V

39 39 Παρόμοια, για διακόπτες τύπου p

40 40 +5V Πύλη «Ταυτότητας» (Α=Α) V out = 5V = 1 +5V Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται πλησιέστερα στο λογικό 0 (γη). Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; V out = 0V = Ø 1 p Ø p 0V 0V

41 41 +5V Πύλη «Αναστροφής» (Α ΝΟΤ) +5V Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται πλησιέστερα στο λογικό 1 (+5V). 1 p Ø p Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; V out = 0V = Ø V out = 5V = 1 0V 0V

42 42 Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται πλησιέστερα στο λογικό 0 (γη). +5V Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; Πύλη AND V out = Α Β Α p p Β Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται παράλληλα. Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; 0V

43 43 Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται πλησιέστερα στο λογικό 1 (+5V). +5V Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; Πύλη NAND Α p n p n Β Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται παράλληλα. V out = Α+Β AB Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; 0V

44 44 Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται πλησιέστερα στο λογικό 0 (γη). +5V Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; V out = Α+Β Πύλη OR Α p Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται σε σειρά. Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; Β p 0V

45 45 Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται πλησιέστερα στο λογικό 0 (γη). Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; Α +5V p n Πύλη NOR Β p n Προσέξτε πως οι διακόπτες τύπου p συνδέονται σε σειρά. V out = Α Β A+B Θυμάστε τι συνέβαινε στην περίπτωση διακοπτών τύπου n; 0V

46 46 Συνοψίζοντας: n p AND πάνω σειρά κάτω παράλληλα OR πάνω παράλληλα κάτω σειρά NAND κάτω σειρά πάνω παράλληλα NOR κάτω παράλληλα πάνω σειρά

47 47 ή αλλιώς: Διατηρώντας τον ίδιο τύπο διακοπτών: κάτω πάνω σε σειρά παράλληλα Μεταβάλλοντας τον τύπο των διακοπτών: + p n KAI +

48 48 Λογικές Πύλες με Συμπληρωματικούς Διακόπτες Συνδυάζουν διακόπτες τύπου n και τύπου p, όπως θα δούμε στη συνέχεια

49 49 A Πύλη «Ταυτότητας» (Α=Α) +5V n A Ποια πλεονεκτήματα θα μπορούσε να διαθέτει ένα συμπληρωματικό κύκλωμα, και ποια μειονεκτήματα; Λάβετε υπόψη σας τους εξής παράγοντες: «Όγκος» Είδη «εξαρτημάτων» Κατανάλωση ισχύος p 0V

50 50 Πύλη «Αναστροφής» (Α ΝΟΤ) +5V p A A n 0V

51 51 +5V Α n Πύλη AND Β n V out = Α Β Α p p Β 0V

52 52 +5V Α p p Β Πύλη NAND V out = Α Β Α n Β n 0V

53 53 +5V Α n n Β Πύλη OR V out = Α+Β Α p Β p 0V

54 54 +5V Α p Πύλη NOR Β p V out = Α+Β Α n n Β 0V

55 55 Εκτός από απλές λογικές πύλες, μπορούμε με παρόμοιο τρόπο να υλοποιούμε σύνθετες λογικές συναρτήσεις. Παράδειγμα 1: Δίνεται η λογική συνάρτηση F=AB+C. Να υλοποιηθεί με διακόπτες τύπου n.

56 56 To ζητούμενο κύκλωμα: +5V Α n n C Β n V out = Α Β+C 0V

57 57 Παράδειγμα 2: Δίνεται η λογική συνάρτηση F=AB+C. Να υλοποιηθεί με διακόπτες τύπου p.

58 58 To ζητούμενο κύκλωμα: +5V V out = Α Β+C Α p p Β C p 0V

59 59 Παράδειγμα 3: Δίνεται η λογική συνάρτηση F=AB+C. Να υλοποιηθεί με συμπληρωματικούς διακόπτες (τύπου p και τύπου n).

60 60 To ζητούμενο κύκλωμα: +5V Α n n C Β n V out = Α Β+C Α p p Β C p 0V

61 61 Παράδειγμα 4: Δίνεται η λογική συνάρτηση F=AB+C. Να υλοποιηθεί με συμπληρωματικούς διακόπτες (τύπου p και τύπου n).

62 62 To ζητούμενο κύκλωμα: +5V C p Α p p Β V out = Α Β+C Α n n C Β n 0V

63 63 Μη ιδανικοί ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι διακόπτες το τρανζίστορ MOSFET MOSFET τύπου n (nmos) IN Ø Control 1 G D IN n OUT IN IN Control Ø n S OUT OUT IN 1 Control n OUT

64 64 Μη ιδανικοί ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι διακόπτες το τρανζίστορ MOSFET MOSFET τύπου p (pmos) G IN D IN Ø Control p OUT IN 1 IN Control Ø p S OUT OUT IN 1 Control p OUT

65 65 Σύμβολα: Μη ιδανικοί ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι διακόπτες το τρανζίστορ MOSFET n p

66 66 Tο τρανζίστορ nmos ως διακόπτης V DD V DD D G S I C V C V DD -V T (i) 0 t V DD G V C 0V S D I C V DD 0 t (ii)

67 67 Tο τρανζίστορ pmos ως διακόπτης 0V V DD S G D I C V C V DD (i) 0V G 0 V C t 0V D S I C V DD V T 0 t (ii)

68 68 Tα τρανζίστορ MOS ως διακόπτες ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα nmos μεταβιβάζουν καλά το λογικό 0, άρα θα πρέπει να τοποθετούνται πλησιέστερα στη γη (0V) όταν χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση λογικών κυκλωμάτων Τα pmos μεταβιβάζουν καλά το λογικό 1, άρα θα πρέπει να τοποθετούνται πλησιέστερα στη θετική τάση τροφοδοσίας (Vdd) όταν χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση λογικών κυκλωμάτων Τα λογικά κυκλώματα που υλοποιούνται με βάση τους πιο πάνω κανόνες αντιστοιχούν σε συμπληρώματα λογικών συναρτήσεων (NAND, NOR, ή γενικότερα F)

69 69 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΣΕ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS Η λογική οικογένεια CMOS Αναστροφέας (πύλη NOT) G V DD S D A G D S Ā Πώς θα υλοποιούσατε μια «ταυτοτική» πύλη σε τεχνολογία CMOS; V SS

70 70 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΣΕ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS Η λογική οικογένεια CMOS V DD πύλη NAND A B A AB B Πώς θα υλοποιούσατε μια πύλη AND σε τεχνολογία CMOS; V SS

71 71 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΣΕ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS Η λογική οικογένεια CMOS V DD πύλη NOR A B A+B A B Πώς θα υλοποιούσατε μια πύλη OR σε τεχνολογία CMOS; V SS

72 72 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΣΕ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS Υλοποίηση σύνθετων λογικών συναρτήσεων σε τεχνολογία CMOS V DD Παράδειγμα 1: Κάποιος ισχυρίζεται πως έχει υλοποιήσει τη συνάρτηση F=AB+C σε τεχνολογία CMOS όπως φαίνεται στο κύκλωμα του σχήματος. Σχολιάστε. A B C F=AB+C A B C V SS

73 73 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΣΕ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS Υλοποίηση σύνθετων λογικών συναρτήσεων σε τεχνολογία CMOS V DD Παράδειγμα 2: Κάποιος ισχυρίζεται πως έχει υλοποιήσει τη συνάρτηση F=AB+C σε τεχνολογία CMOS όπως φαίνεται στο κύκλωμα του σχήματος. Σχολιάστε. Ā B C F=AB+C A B C V SS

74 74 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΣΕ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS Υλοποίηση σύνθετων λογικών συναρτήσεων σε τεχνολογία CMOS V DD Παράδειγμα 3: A B Κάποιος ισχυρίζεται πως έχει υλοποιήσει τη συνάρτηση F=AB+C σε τεχνολογία CMOS όπως φαίνεται στο κύκλωμα του σχήματος. Σχολιάστε. A C F=(A+B) C F=AB+C C B V SS

75 75 Η ΛΟΓΙΚΗ ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ DDL (Diode Diode Logic) Ποια λογική πύλη υλοποιεί το κύκλωμα του σχήματος; δ 1 A D 1 R Y δ 2 B D V 1

76 76 Η ΛΟΓΙΚΗ ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ DDL (Diode Diode Logic) Υποβιβασμός της λογικής στάθμης 1 σε σειρά πυλών OR της οικογένειας DDL V 1 V T 1 0 V 1 V 1 -V T V T 1 0 V 1 V 1-2V T V T 1 0 V 1 V 1-3V T V T 1 0 V 1 V T?? V n

77 77 Η ΛΟΓΙΚΗ ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ DDL (Diode Diode Logic) Ποια λογική πύλη υλοποιεί το κύκλωμα του σχήματος; δ 1 A D 1 R Y δ 2 B D V 1 Το κύκλωμα υποφέρει από αναβιβασμό της στάθμης του λογικού μηδενός ίση με την πτώση τάσης στα άκρα των διόδων

78 78 Η ΛΟΓΙΚΗ ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ RTL (Resistor Transistor Logic) Ποια λογική πύλη υλοποιεί το κύκλωμα του σχήματος; V+ R C IN R A B C E OUT

79 79 Η ΛΟΓΙΚΗ ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ RTL (Resistor Transistor Logic) Ποια λογική πύλη υλοποιεί το κύκλωμα του σχήματος; V+ R C A B R A R B B C E Y

80 80 Η ΛΟΓΙΚΗ ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ nmos Ποια λογική πύλη υλοποιεί το κύκλωμα του σχήματος; V DD R IN G D S OUT

81 81 Ευχαριστώ για την προσοχή σας!

Σχετικά έγγραφα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΗ 1η: ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ MOSFET Σκοπός της άσκησης Στην άσκηση αυτή θα μελετήσουμε το τρανζίστορ τύπου MOSFET και τη λειτουργία