دانلود پاورپوینت الکترونیک دیجیتال منطق TTL

الکترونیک دیجیتال منطق TTL مقدمه منطق TTLبا استفاده از ترانزیستورهای دو قطبی ساخته میشود که به عنوان سوئیچ اشباع عمل میکنند. تاخیر ناشی از خارج کردن سوئیچ از حالت اشباع یک عامل مهم در محدود کردن سرعت این منطق است که البته روشهائی برای غلبه بر آن ارائه شده است. امروزه مدارات Schottky TTLبصورت گسترده ای در کاربردهائی که نیاز به ارتباط با سرعت باال با مدارات بیرونی دارند نظیر مادربرد ها بکار میروند. مدار سوئیچ یک سوئیچ TTLبا استفاد از یک ترانزیستور و دو مقاومت ساخته میشود .از اینرو به آن resistor–transistor logic ) (RTLنیز گفته میشود. ترانزیستور در دو وضعیت قطع و یا اشباع (روشن) عمل میکند. یک مشکل جدی این مدار تقابل بین fan-outو مقدار swingخروجی است. وقتی ترانزیستور در ناحیه اشباع قرار میگیرد ،خروجی برابر با VOL= V CESشده و در سطح منطقی صفر خواهد بود. وقتی ترانزیستور قطع است جریان کلکتور آن صفر بوده و خروجی برابر با ولتاژ منبع تغذیه خواهد بودVOH= V CC . اما با اتصال خروجی به سایر گیتها (داشتن )fan-out جریانی از مقاومت عبور کرده و مقدار VOHافزایش می یابد. تغییر خروجی در اثر fan-out اگر خروجی یک گیت RTLبه تعدادی گیت( که برای سادگی مشابه فرض میشوند) وصل شود در اثر جریان کشیدن این گیتها مقدار خروجی تحت تاثیر قرار میگیرد. برای محاسبه اثر گیت های بار میتوان آنها را با معادل تونن خود جایگزین نمود. تغییر خروجی در اثر fan-out بعلت قطع بون ترانزیستور میتوان مقدار ولتاژ خروجی را از تقسیم ولتاژ بدست آورد. بنابر این مقدار نوسان خروجی برابر خواهد بود با مقدار VOHو به تبع آن مقدار حاشیه امنیت نویزبا افزایش Nیعنی مقدار fan-out کاهش می یابد. گیت NOR اعمال 1به هر یک از ورودیها باعث میشود تا ترانزیستور مربوطه به اشباع رفته و خروجی صفر شود. گیت NAND در مدار روبرو اگر ورودی هر سه ترانزیستور 1 باشد ،همه آنها اشباع شده و خروجی به سطح منطقی صفر میرسد که برابر است با ‏VOL=M VCES  در این مدار با افزایش fan-inمقدار خروجی ‏VOLخراب میشود. مشکل دیگر مدار این است که مقدار VIHبرای ورودی های مختلف آن متفاوت است .برای ترانزیستور Aمقدار آن برابر با یک گیت معمولی بوده اما برای هر ترانزیستور بعدی به مقدار VCES به آن اضافه شده و باعث خراب شدن حاشیه امنیت نویز میشود. منطق DTL منطق RTLاز مشکل swingو نویز رنج میبرد .برای حل این مشکالت منطق DTLمعرفی گردید. وجود دیود باعث میشود تا در صورت یک بودن خروجی جریانی از خروجی گیت کشیده نشود .لذا مشکل تغییر swingدر اثر fan-out از بین میرود .در مدار زیر مشکل اختالف ورودیها در اثر fan-inنیز از بین رفته است. منطق TTL ‏ ‏ با اعمال تغییراتی در منطق DTLمنطق دیگری با نام TTLبوجود آمد که در آن دیود های موجود در ورودی با ترانزیستور جایگزین گشته اند .برای اینکار دو دیود پشت به پشت با هم ادغام و به صورت یک ترانزیستور npnساخته شدند .در این مدار ناحیه pدیودها با هم ادغام شده و ضمن صرفه جوئی در جا ،خازن پارازیتی کمتر و در نتیجه تاخیر انتشار کمتری نیز دارد. عالوه برآن بدلیل اینکه ترانزیستور ورودی در هنگام انتقال ورودی از یک به صفر بصورت فعال در می آید ،باعث میشود تا بار موجود در بیس ترانزیستور خروجی به سرعت تخلیه شود .که در نهایت سرعت مدار را افزایش میدهد. منطق TTL با افزودن یک ترانزیستور امیتر فالور میتوان جریان موجود برای تغذیه ترانزیستور خروجی را افزایش داد. اینکار باعث میشود تا مقدار fan-outخروجی زیاد شود (چرا؟) در ضمن زمان tPHLدر هنگام تغییر ورودی از صفر به یک را کاهش میدهد. منطق TTLاستاندارد منطق استاندار یک گیت معکوس کننده TTLبا افزودن دو مدار دیگر بدست می اید: اولی یک مدار pull-upو دومی یک مدار ضدحلقه است که از دیود D0 تشکیل میشود. منطق TTLاستاندارد افزودن مدار pull-upباعث کاهش زمان tPLHمیشود .مقدار این تاخیر متناسب با RCCLاست .که در آن CLخازن بار است .برای کاهش آن باید مقدار RCکاهش یابد که خود باعث افزایش جریان کلکتور و افزایش توان مصرفی گیت میشود. در این مدار جدید برای خروجی صفر ،ترانزیستور QPخاموش است و توانی مصرف نمیکند. در هنگام تغییر خروجی از صفر به یک QP ،در گرایش مستقیم قرار گرفته و و بصورت یک امیتر فالور عمل میکند .این مسیر با امپدانس پائین باعث کاهش RCشده و سبب میشود تا خروجی بسرعت از صفر به یک تغییر کند. وجود یک دیود سری تضمین میکند که هنگام صفر بودن خروجی ترانزیستور QPخاموش خواهد بود .وقتی خروجی صفر باشد هر دو ترانزیستور QS, QOاشباع بوده و مقدار ولتاژ بیس QPبرابر خواهد بود با منطق TTLاستاندارد و مقدار ولتاژ امیتر QPبرابر خواهد بود با لذا خواهیمداشت: این مقدار معموال V 0.1است لذا قطعا QPخاموش خواهد بود. در صورتیکه دیود حذف میشد QPنمیتوانست خاموش شود. ترانزیستور QSاصطالحا drive splitterنامیده میشود زیرا یا Q0و یا QPرا روشن میکند و در یک زمان اجازه نمیدهد که هر دو روشن شوند. مشخصه انتقال ولتاژ بازای VIN=0ترانزیستور QIدر حالت اشباع قرار میگیرد و ولتاژی برای بایاس QSوجود نخواهد داشت ،در نتیجه QS و متعاقب آن QOقطع خواهند بودQP . در گرایش مستقیم بوده و اگر از افت ولتاژ جزئی روی RCصرفنظر شود ولتاژخروجی برابر خواهد بود با: با افزایش ورودی تا حدی که QS روشن شود اولین نقطه تغییر در منحنی مشخصه بوجود خواهد آمد .با فعال شدن این ترانزیستور افت ولتاژ روی RCبطرز محسوسی افزایش می یابد. که باعث میشود تا ولتاژ خروجی کاهش یابد .از این مقدار میتوان برای تعیین VILاستفاده نمود. مشخصه انتقال ولتاژ دومین نقطه شکست در منحنی مشخصه وقتی بوجود می آید که افزایش ورودی باعث روشن شدن QOشود .این امر وقتی اتفاق می افتد که جریان امیتر QSباعث افت ولتاژ 0.7ولت در مقاومت RDگردد .مقادیر ورودی و خروجی مربوطه عبارتند از: مشخصه انتقال ولتاژ سومین نقطه شکست در منحنی مشخصه هنگامی است که افزایش ورودی باعث اشباع QS , QOگردد. اگر برای سادگی فرض کنیم که هر دو ترانزیستور همزمان اشباع میشوند ،ولتاژ ورودی و خروجی مربوطه بصورت زیر خواهند بود. در این نقطه ترانزیستور ورودی همچنان در حال اشباع است اما اگر ورودی بیشتر شود میتواند QFرادر ناحیه فعال معکوس ببرد .این مسئله خروجی را تغییر نخواهد داد و مقدار آن کماکان VCESباقی خواهد ماند. اتالف توان اتالف توان مدارات TTLعمدتا ناشی از توان DCاست .برای محاسبه آن فرض میشود که ورودی در سطح منطقی 1باشد. بازای این ورودی QIدر ناحیه فعال معکوس است و QS , QOهر دو اشباع بوده و QPقطع است .لذا توان مصرفی را میتوان بصورت زیر نوشت. در این رابطه مقدار دقیق VINوارد نشده است زیرا QIدر ناحیه فعال معکوس قرار دارد. مقدار VBCAمعموال با VBEAتخمین زده میشود. اتالف توان برای محاسبه PHفرض میشود که ورودی به VOLکه از گیت مشابهی می آید وصل شده باشد. در اینحالت اتالف توان برابر است با: که در آن Nمقدار fan-out خروجی است که هر گیت جریانی برابر با IIHمیکشد. اتالف توان مقدار IIHمیتوان با استفاده از شکل مقابل محاسبه نمود. بازای ورودی یک ترانزیستور QIدر ناحیه فعال معکوس است و QSو QO اشباع و QPقطع است از اینرو جریان بیس ترانزیستور ورودی برابر است با: با استفاده از این مقدار میتوان توان اتالفی را محاسبه نمود. اتالف توان اتالف توان گیت TTLرا میتوان از طریق تغییر مقیاس مقاومت ها و یا کاهش ولتاژ تغذیه کم کرد. البته هر دو روش باعث تقابل بین سرعت و توان است. در گیت های امروزی حاصلضرب ” توان-سرعت“ از طریق بهبود در طراحی مدار و طراحی ادوات بدست می آید. مدارات منطقی مدارات ساخته شده در این منطق از نوع invertingهستند .در عمل برای ساختن مدار NANDاز یک ترانزیستور با چند امیتر استفاده میشود. این ترانزیستور کار ANDکردن ورودیها را انجام میدهد .زیرا با صفر شدن هر یک از آنها ترانزیستور اشباع خواهد شد. فقط در حالتیکه هر سه ورودی یک باشند ترانزیستور در ناحیه فعال معکوس قرار خواهد گرفت. در واقع وقتی که هر یک از پیوندهای بیس امیتر در گرایش مستقیم قرار میگیرد ،ناقلهای اقلیت به ناحیه بیس تزریق خواهند شد. در عمل میتوان گیتهای تا 8ورودی را نیز به همین روش ساخت. مدارات منطقی برای ساخت مدارات NORاز چند ترانزیستورو مدار splitterاستفاده میشود. اگر ورودی VAیک شود، ترانزیستور QIAدر ناحیه فعال معکوس قرار گرفته و QSAاشباع میشود .در نتیجه بدون توجه به وضعیت QSBترانزیستور Qpقطع و ترانزیستور QOاشباع خواهد شد .این امر باعث میشود تا خروجی صفر شود. همین امر برای ورودی VBنیز رخ خواهد داد .بدین ترتیب با یک شدن هر ورودی خروجی صفر خواهد شد. پیاده سازی تابع ‏AND_OR_INVERT برای پیاده سازی توابع عمومی AND- OR-INVERTاز مدارات expanderو تغذیه کننده خط استفاده میشود. مدار expanderشامل ترانزیستور ورودی و ترانزیستور splitterمیشود. میتوان با استفاده از مدارات آماده متشکل از اجزای فوق هر منطق دلخواهی را پیاده سازی نمود. برای ANDکردن ورودی ها از ترانزیستور ورودی استفاده میشود. برای تابع ORاز مدارات splitter موازی استفاده میشود. ترانزیستور های خروجی نیز نقش معکوس کننده را بازی خواهند نمود. مثال با استفاده از مدارات ترانزیستور ورودی ‏Splitter  و ترانزیستورهای خروجی میتوان تابع زیر را پیاده سازی نمود. پیاده سازی تابع XOR برای ساخت XORاز دو ترانزیستور زوج QX1و QX2استفاده میشود. اگر ورودی Aیک و Bصفر باشد QIA ،در حالت فعال معکوس و QSAو QSDAدر حالت اشباع قرار خواهند داشت .در نتیجه امیتر QX2در مقدار VCESقرار میگیرد. در همین حال QIBاشباع شده اما QSBو QSDBدر حالت قطع قرار میگیرند .این باعث یک شدن بیس QX2میشود .با اشباع شدن این ترانزیستور QSو QOقطع شده و و خروجی یک میشود. اگر هر دو ورودی صفر و یا یک باشند ولتاژ بیس -امیتر هر دو زوج ترانزیستور QX1و QX2صفر شده و قطع خواهند شد .تحت این شرایط QSو QOاشباع شده و خروجی صفر خواهد شد. منطق BiCMOS منطق CMOSدو قطبی و یا BiCMOSبا استفاده از تکنولوژی Siو SiGeساخته میشود .فرایند ساخت این منطق بسیار پیچیده است زیرا باید بتواند هر دو نوع ترانزیستور را در روی یک چیپ بسازد. این مدارات دارای دو ویژگی مهم هستند: از یک مدار CMOSبرای تولید منطق استفاده میکنند .مدارات MOSFETدارای امپدانس ورودی باالئی بوده و جریان کمی میکشند. از دو ترانزیستور npnدر خروجی استفاده میکنند که میتوانند جریان باالئی در خروجی تولید کنند. مدار CMOSاتالف توان ایستای کمی دارد در حالی که مدار دوقطبی دارای کارائی باالئی برای بارهای خازنی خروجی است. BiCMOS Inverter (when input )is low بازای ورودی VI=0ترانزیستورهای MNو Q2قطع بوده و MPهدایت کرده و باعث روشن شدن Q1میشود .این ترانزیستور بصورت pull-upعمل کرده و میتواند خروجی را تا )V0(max)=VDD-VBE1(on افزایش دهد ( .که این یک ایراد مدار است) Q1 میتواند جریان زیادی را به بار تحویل دهد .نتیجه این خواهد بود که زمان tPLHاین گیت بسیار کوتاه خواهد شد. BiCMOS Inverter (when input )is high بازای ورودی VI=1ترانزیستور MPقطع بوده و ترانزیستورهای MNو Q2روشن میشوند .ترانزیستور Q2میتواند مقدار زیادی جریان را از خود عبور داده و خروجی را بسرعت تخلیه نماید .نتیجه این خواهد بود که زمان tPHLاین گیت بسیار کوتاه خواهد شد. خروجی این مدار تا مقدار,VO(min)=VBE2(on)Q2 کاهش خواهد یافت لذا خروجی سطح منطقی پائین بیشتر از صفر خواهد بود. NOR گیت