Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs. Διάλεξη 2

Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs Διάλεξη 2

Δομή της διάλεξης Επανάληψη άλγεβρας Boole Λογική με διόδους Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (Resistor-Transistor Logic ή RTL) Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (Diode-Transistor Logic ή DTL) Ασκήσεις 2

Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs Επανάληψη άλγεβρας Boole 3

Επανάληψη άλγεβρας Boole Άλγεβρα για το χειρισμό δυαδικών λογικών εκφράσεων 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

Επανάληψη άλγεβρας Boole 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

Επανάληψη άλγεβρας Boole Πίνακες αληθείας και σύμβολα των αντίστοιχων πυλών NOR NAND Α Β 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Z = A+ B Α Β 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Z = AB 6

Επανάληψη άλγεβρας Boole Χρήσιμες ταυτότητες της Άλγεβρας Boole A+ 0 = A A 1= A A+ B= B+ A AB = BA A+ ( B+ C) = ( A+ B) + C A ( B C) ( ) A+ B C= ( A+ B) ( A+ C) ( ) A+ A= 1 AA = 0 = A B C A B+ C = A B+ A C A+ A= A AA = A A+ 1= 1 A 0= 0 A+ B= A B AB = A+ B Πράξη ταυτότητας Αντιμεταθετικός νόμος Προσεταιριστικός Νόμος Επιμεριστικός Νόμος 7

Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs Λογική με διόδους 8

Λογική με διόδους Από τις πιο απλές κυκλωματικές τεχνικές για υλοποίηση των συναρτήσεων AND και OR Περιορισμένη πρακτική χρησιμότητα ως αυτόνομα κυκλώματα Εισαγωγή στην υλοποίηση λογικών κυκλωμάτων Χρήση σε πιο πολύπλοκα κυκλώματα, όπου συνδυάζει λογικά μερικά σήματα εισόδου 9

Λογική με διόδους ΗπύληOR Κυκλωματικό διάγραμμα 10

Λογική με διόδους ΗπύληOR Ανάλυση για Α= 1 =5V και Β= 0 =0V D1 σε αγωγή D2 ανάστροφα πολωμένη Η u o είναι μια πτώση τάσης ορθής φοράς της διόδου μικρότερη από τα 5Volts στοσημείοα u o = 5V-0.6V=4.4V Λογικό 1 11

Λογική με διόδους ΗπύληOR Αν τουλάχιστον μια από τις εισόδους είναι στα 5Volts, τότε η έξοδος της πύλης θα είναι 4.4Volts Ανκαιοιδύοείσοδοιείναιστα 0Volts, τότε μόνο και η έξοδος θα είναι στα 0Volts Υλοποιεί πράγματι τη λογική πράξη OR 12

Λογική με διόδους ΗπύληAND Κυκλωματικό διάγραμμα Προκύπτει από την πύλη OR αν αντιστρέψουμε τις διόδους και την πολικότητα της τροφοδοσίας 13

Λογική με διόδους ΗπύληAND Ανάλυση για Α= 1 =5V και Β= 0 =0V D1 ανάστροφα πολωμένη D2 σε αγωγή Η u o είναι μια πτώση τάσης ορθής φοράς της διόδου D2 πάνω από την τάση της γείωσης (σημείο Β) u o = 0V+0.6V=0.6V Λογικό 0 14

Λογική με διόδους ΗπύληAND Αν είτε μια είτε και οι δύο είσοδοι είναι στα 0Volts, τότε η έξοδος της πύλης θα είναι 0.6Volts Μόνοότανκαιοιδύοείσοδοιείναι στα 5Volts, θα είναι και η έξοδος στα 5Volts Υλοποιεί πράγματι τη λογική πράξη AND 15

Λογική με διόδους Μειονεκτήματα Παρέχει απλές υλοποιήσεις των λογικών συναρτήσεων αλλά Τα λογικά επίπεδα δεν αναπαράγονται στην έξοδο της πύλης Όταν συνδέονται παρόμοιες πύλες σε σειρά, το επίπεδο εξόδου υποβαθμίζεται κατά μια πτώση τάσης ορθής φοράς μιας διόδου από κάθε πύλη στη σειρά Αν υπάρχουν πολλές πύλες σε σειρά, ητάσηεξόδουδεν αναπαριστά πια τη σωστή δυαδική κατάσταση 16

Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (Resistor-Transistor Logic ή RTL) 17

Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL) Ο βασικός αντιστροφέας BJT και η χαρακτηριστική μεταφοράς του 18

Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL) Πύλη NOR δύο εισόδων της οικογένειας RTL Προκύπτει συνδέοντας παράλληλα τις εξόδους δύο ή περισσότερων βασικών αντιστροφέων 19

Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL) Λειτουργία της πύλης Αν κάποια είσοδος είναι στο λογικό 1, το αντίστοιχο τρανζίστορ θα είναι στον κόρο u Y =V CEsat = 0 Αν και η άλλη είσοδος είναι στο λογικό 1, και το άλλο τρανζίστορ θα είναι στον κόρο, όποτε η έξοδος παραμένει στο 0 Μόνο αν και τα δύο τρανζίστορ είναι αποκομμένα (και οι δύο είσοδοι στο λογικό μηδέν), η έξοδος είναι στο λογικό 1, u Y =V CC = 1 20

Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL) Λειτουργία της πύλης ΗέκφρασηBoole είναι επομένως Y = A B ή αλλιώτικα Y = A+ B Πρόκειται δηλαδή για τη συνάρτηση NOR Το fan-in της RTL πύλης NOR μπορεί να αυξηθεί αν προσθέσουμε περισσότερα τρανζίστορ στην είσοδο 21

Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL) Μειονεκτήματα της οικογένειας RTL Το V OH είναι μεν στο V CC ότανηπύληείναιμόνη της, αλλά όχι και όταν οδηγεί παρόμοιες πύλες Το συνολικό ρεύμα βάσης των τρανζίστορ εισόδου των οδηγούμενων πυλών τροφοδοτείται από την R C της οδηγού πύλης, άρα η V OH είναι σημαντικά χαμηλότερη από V CC Μάλιστα η V OH μειώνεται καθώς αυξάνεται το fanout της πύλης Τα περιθώριο θορύβου της πύλης RTL είναι λοιπόν στενά Επίσης έχει μεγάλη κατανάλωση ισχύος 22

Λογική Αντιστάσεων-Τρανζίστορ (RTL) Το SR Flip-Flop RTL Προκύπτει με χιαστί σύνδεση δύο RTL πυλών NOR δύο εισόδων 23

Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (Diode-Transistor Logic ή DTL) 24

Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL) Πύλη NAND δύο εισόδων της οικογένειας DTL σε διακριτή μορφή Είναι ο πρόγονος της λογικής TTL 25

Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL) 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 D3 και D4 άγουν Η τάση στη βάση του τρανζίστορ είναι δύο τάσεις αγωγής διόδου κάτω από την τάση στον κόμβο X (δηλ. μια μικρή αρνητική τάση) Άρα το Q είναι αποκομμένο και u Y =V CC (λογικό 1) 26

Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL) Λειτουργία της πύλης Αυξάνουμε την τάση u A D1 συνεχίζει να άγει Ο κόμβος X αυξάνει σε δυναμικό D3, D4 συνεχίζουν να άγουν Η βάση αυξάνει σε δυναμικό Μέχριναφτάσειπερίπουτα0.5V οπότε αρχίζειναάγειτοτρανζίστορ Τότε η u A 0.5+V D4 +V D3 -V D1 1.2V 27

Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL) Λειτουργία της πύλης Τελικά η τάση στη βάση θα φτάσει τα 0.7V Και η τάση στον κόμβο X θα σταθεροποιηθεί στις δύο πτώσεις τάσης αγωγής διόδου πάνω από τη V BE Περαιτέρω αυξήσεις της u A ανάστροφη πόλωση της D1 Για u A περίπου 1.4V το ρεύμα στη D1 αρχίζει να ελαττώνεται ΚαιότανσταματήσειναάγειηD1, 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

Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL) Λειτουργία της πύλης Συνεπώς, όταν το A είναι σε λογικό 1, το τρανζίστορ είναι σε κόρο και η u Y θα ισούται με V CEsat ( 0.2V), δηλαδή έχουμε λογικό 0 στην έξοδο Αν είτε μία είτε και οι δύο είσοδοι είναι σε χαμηλό επίπεδο, η αντίστοιχη δίοδος (D1, D2 ήκαιοιδύο) θα άγει, το τρανζίστορ θα είναι αποκομμένο και η έξοδος Y θα είναι σε υψηλό επίπεδο Ηέξοδοςείναιlow εάν το τρανζίστορ άγει, δηλαδή μόνο εάν όλες οι είσοδοι είναι high 29

Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL) Λειτουργία της πύλης Επομένως, ηέκφρασηboole δίνεται ως εξής: Y = A B δηλαδή Y = A B που είναι η συνάρτηση NAND 30

Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL) Αναμενόμενο αποτέλεσμα Το κύκλωμα DTL αποτελείται από μία πύλη AND διόδων που σχηματίζεται από τις διόδους D1 και D2 και την αντίσταση R1 και στη συνέχεια έναν αντιστροφέα τρανζίστορ Οπότε η συνολική συνάρτηση είναι η NAND 31

Λογική Διόδων-Τρανζίστορ (DTL) Το κύκλωμα που παρουσιάστηκε είναι η πύλη DTL σε διακριτή μορφή Το κύκλωμα DTL με μία είσοδο σε μορφή ολοκληρωμένου: 32

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 ΔιαφορέςαπότοδιακριτόκύκλωμαDTL: Η μία από τις δύο καθοδηγητικές διόδους (D3, D4) έχει αντικατασταθεί από την ένωση εκπομπού-βάσηςενόςτρανζίστορ (Q2) που είναι είτε αποκομμένο (είσοδος low) είτε στην ενεργό περιοχή (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 φορτίου στη βάση του Q3 είναι μάλλον μικρό 33

Χαρακτηριστικά Κυκλωμάτων DTL + + Σχετικά καλά περιθώρια θορύβου Ικανοποιητική δυνατότητα fan-out Αργή απόκριση Πρόκειται για ξεπερασμένη τεχνολογία 34

Αιτίες για την αργή απόκριση (1) 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 R B προς τη γη Αρχική τιμή του ρεύματος 0.7V/R B, περίπου 0.14mA Πολύ μικρό σε σύγκριση με το ορθό ρεύμα βάσης Ο χρόνος για την αφαίρεση του φορτίου είναι μεγάλος, και επιμηκύνει την καθυστέρηση της πύλης 35

Αιτίες για την αργή απόκριση (2) Η φύση του κυκλώματος εξόδου (κοινός εκπομπός) Όταν το Q3 άγει, επειδή η τάση δεν πέφτει αμέσως λόγω της C L, το Q3 θα περάσει από την ενεργό περιοχή και ως σταθερή πηγή ρεύματος (βi B, μεγάλο ρεύμα ) θα εκφορτίσει πολύ γρήγορα τη C L (Μικρός χρόνος αγωγής θετικό) Όταν το Q3 δεν άγει, η τάσηεξόδουδενφτάνει αμέσως τη V CC η C L πρέπει να φορτιστεί μέχρι την V CC μέσω της R C, που είναι αργή διαδικασία 36

ΗεξέλιξητηςDTL Η Λογική Τρανζίστορ-Τρανζίστορ (TTL) αποτελεί εξέλιξη της DTL οικογένειας Ηεπόμενηδιάλεξη(3) είναι αφιερωμένη στην τεχνολογία TTL 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

Λογικά Κυκλώματα με Διόδους, Αντιστάσεις και BJTs Ασκήσεις 38

Άσκηση 1 Εκφώνηση (προς λύση) Για την πύλη DTL στο σχήμα της διαφάνειας 25, υπολογίστε το συνολικό ρεύμα σε κάθε τροφοδοσία καθώς επίσης και τηνκατανάλωσηισχύοςτηςπύληςστιςεξήςδύο περιπτώσεις: υ y ψηλά και υ y χαμηλά. Κατόπιν βρείτε την μέση κατανάλωση ισχύος στην πύλη DTL. 39

Άσκηση 2 Εκφώνηση (προς λύση) 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

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 ΨηφιακάΟλοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου 2008 41