KOMBINAČNÍ LOGICKÉ OBVODY Použité zdroje: http://cs.wikipedia.org/wiki/logická_funkce http://www.ibiblio.org http://martin.feld.cvut.cz/~kuenzel/x13ups/log.jpg http://www.mikroelektro.utb.cz http://www.elearn.vsb.cz/archivcd/fs/zaut/skripta_text.pdf http://ns.spsknm.sk Zpracoval: Ing. Bc. Miloslav Otýpka Kombinační logické obvody
Kombinační logický obvod je takový logický obvod, ve kterém stavy na výstupech závisí pouze na okamžitých kombinacích vstupních proměnných. Stavy na výstupech tedy nezávisí na jejich předchozích hodnotách, neboť kombinační logický obvod nedisponuje pamětí předchozích stavů. Jedné kombinaci vstupních proměnných odpovídá právě jedna výstupní kombinace funkčních hodnot. Závislost výstupních (funkčních) hodnot na proměnných vstupních hodnotách popisujeme: logickými výrazy pravdivostní tabulkou Kombinační logické obvody lze realizovat pomocí: pevných pamětí programovatelných logických polí (FPLA - field programmable logic arrays) základních logických prvků (AND, NAND, OR, NOR ) Hradla je pak možné zapojovat do větších celků provádějících pokročilejší funkce (booleovská algebra). Pomocí hradel NAND nebo NOR lze realizovat jakoukoli kombinační logickou funkci. 1. RTL obvody (Resistor-Transistor-Logic) Jsou to logické obvody s tranzistorovou logikou a s odporovými vazbami. Vlastnosti: malá odolnost proti rušení malá rychlost velká spotřeba citlivost na teplotu a zátěž nízká cena jednoduchá výroba Po přivedení logické 1 na libovolný vstup (vstupy), se otevře příslušný tranzistor (tranzistory), které svedou napětí zdroje na zem. Na výstupu je saturační napětí (napětí, které bychom naměřili mezi kolektorem a emitorem otevřeného tranzistoru U CE ), což odpovídá logické 0. Obr.1 Logický člen NOR v provedení RTL. 2. Jsou DTL obvody to logické (Diode Transistor obvody Logic) s diodovou logikou. Když na jednom, či více vstupech bude logická 0, pak na výstupu Y je napájecí napětí U CC = logická 1. Hlavně monolitické DTL byly levnější. Nevýhodou bylo zpočátku použití dvou napájecích zdrojů, velká spotřeba a také malá odolnost proti rušení.
Obr. 2 Logický člen NAND v provedení DTL. 3. TTL obvody (Transistor Transistor Logic) V technologii TTL se jako hlavního akčního prvku využívá bipolárního tranzistoru. Ke své funkci využívají několikaemitorového tranzistoru. Jejich významnou předností je rychlost. V TTL obvodech je nejpoužívanější řada 74xx a její teplotní verze (84xx, 54xx ). Princip činnosti je obdobný jako u DTL. V dnešní době jsou TTL obvody nahrazovány systémy STTL, MOS a CMOS, které mají nižší spotřebu při srovnatelné rychlosti. Jsou to logické obvody s tranzistorově tranzistorovou logikou. Vlastnosti: napájecí napětí 5 V napětí 0-0,8 V na vstupu je považován za logickou 0. Napětí vyšší než 2 V je logická 1 rozmezí 0,8-2 V není definované jako logická úroveň Obr. 3 Logický člen NAND v provedení TTL. Nejnovější logické obvody jsou vyrobeny unipolární technologií a označují se CMOS. 4. Mají Technologie nepatrný příkon CMOS a velký (Complementary rozsah napájecího metal napětí. oxide semiconductor) CMOS logické obvody jsou ale pomalejší (zpoždění K signálu masovému je typicky rozšíření 10 ns na mikroelektroniky NAND hradlo) ve srovnání je nutná malá spotřeba elektronického zařízení s TTL a jsou citlivé na statickou elektřinu. (napájení z baterie). Tím se do popředí vynořily logické systémy s tranzistory řízenými polem Vlastnosti: MOSFET Napájecí a zejména napětí systémy může být CMOS. v rozmezí 5 až 15 V. U některých řad už i od 3,3 V. Za logickou nulu na vstupu je považován signál 0 až 0,3 Ucc a logickou jedničku vyšší než 0,7 Ucc. Rozšiřující varianty jsou pak HC, HCT, AC, ACT Hradla CMOS obecně nejsou kompatibilní s TTL, tedy nelze připojovat výstup TTL na vstup CMOS. Pokud bychom toto požadovali, musíme použít obvody řady T (HCT...).
Obr. 4 Logický člen NAND v provedení CMOS. Důležité parametry pro logické obvody a) Převodní charakteristika Zobrazuje závislost změny výstupního napětí Uvýst na změně vstupního napětí Uvst. Tato charakteristika má čtyři výrazné oblasti. oblast a (od 0 V - 0,7 V na vstupu) jsou tranzistory T2 a T3 uzavřené oblast b tranzistor T2 se začíná otevírat, ale tranzistor T3 je stále uzavřený. Poklesem napětí na kolektoru T2 je mírně přivřený i tranzistor T4 oblast c otvírá se tranzistor T3 a zavírá se tranzistor T4 oblast d je tranzistor T3 v saturaci a tranzistor T4 je úplně uzavřen Obr. 5 Dvoustupňové NAND hradlo TTL. Obr. 6 Převodní charakteristika TTL. b) Vstupní charakteristika Určuje závislost vstupního proudu I vst na velikosti vstupního napětí U vst. Záporný proud znamená, že tento vytéká z R = 4 kω přes přechod B-E tranzistoru T1 ven do zdroje signálu. Při U vst = 1,4 V je proud vstupu I vst = = 0 ma. Nad toto napětí U vst je proud I vst asi 10 ma. Přechod B-E je polarizovaný v závěrném směru. Při U vst větším jak 7 V proud vstupu prudce naroste vlivem poškození přechodu PN mezi E-B tranzistoru T1. Obr. 7 Vstupní charakteristika TTL.
c) Šumová imunita Šumová imunita je minimální rozdíl vstupních napětí, při kterých výstup přejde z logiky 0 na logiku 1 nebo opačně, za nejnepříznivějších podmínek. Na převodní charakteristice pro U vst méně jak 0,7 V je výstup v logice1 a pro U vst větší jak 1,7V je výstup v logice 0. Rozdíl 1,7-0,7 = 1 V = šumová imunita. d) Logický zisk Logický zisk je daný počtem vstupů logických členů, které můžeme připojit na výstup jednoho logického členu. Výkonové členy jsou řešené jako členy s otevřeným kolektorem. Základní logické funkce Název Slovní vyjádření Anglický název Operátor Vzorec Tabulka Negace opak NOT pruh nad y = a a y proměnnou (y = NOT a) 0 1 1 0 Disjunkce nebo OR +, y = a + b
(logický součet) (y= a OR b) Konjunkce (logický součin) Výlučný součet (exkluzivní součet) Negovaný logický součin (Shefferův funktor) Negovaný logický součet (Piercův funktor) Shoda (ekvivalence) Neshoda (nonekvivalence) a AND, právě jedna z n XOR y = a b (y = a AND b) +, y = a b opak součinu NAND y = a b (y = a AND b) opak součtu NOR y = a + b (y = a NOR b) identita EQ y = a EQ b opak identity NEQ y = a NEQ b Značky pro logické funkce a jejich popis 1. Buffer Buffer (zpožďovací člen) je nejjednodušší logický člen. Průchod signálu bufferem nezaznamená změnu, pouze se zpozdí. Buffer zabezpečuje funkci identity. a y 0 0 1 1 y = a
2. Invertor, NOT Invertor realizuje funkci logické negace. Anglický název je NOT a označuje se pruhem nad proměnnou. a y 0 1 1 0 y = a 3. Konjunkce, AND Tento člen provádí funkci logického součinu (konjunkce). Jedná se o binární logickou operaci jejíž hodnota je pravda, právě když obě vstupní hodnoty jsou pravda. y = a b 4. Disjunkce, OR Tento člen provádí funkci logického součtu (disjunkce). Ve výrokové logice může nabýt logický součet dvou výroků pravdivostní hodnoty true = pravda, označované 1, když alespoň jeden ze vstupních výroků je pravda, anebo false = nepravda, označované 0, když všechny ze vstupních výroků jsou nepravdy. y = a + b 5. Negovaný logický součin, NAND Negovaný logický součin (Shefferův funktor) provádí funkci negovaného logického součinu. Je to nejvíce používané hradlo. Propojením vstupů je schopno pracovat jako invertor. Pomocí hradel NAND lze realizovat většinu klopných obvodů. y = a b
6. Negovaný logický součet, NOR Negovaný logický součet (Piercův funktor) provádí funkci negovaného logického součtu. y = a + b 7. Exkluzivní logický součet, XOR Exkluzivní disjunkce (vylučovací, exkluzivní OR, zkratka XOR) je logická operace, jejíž hodnota je pravda, právě když každá vstupní hodnota nabývá, v porovnání s ostatními vstupy, unikátní hodnotu. y = a b 8. Negovaný exkluzivní logický součet, XNOR y = a b Hradla s otevřeným kolektorem Připojit dva výstupy různých hradel paralelně je nemožné, neboť pokud by jejich výstupy měly opačnou logiku (0 a 1) vznikl by vyrovnávací proud mezi napětími (0 V a 5 V). Hradla s otevřeným kolektorem nám však takové spojení výstupů umožní. Je to proto, že na výstupech nejsou rozdílné hodnoty napětí, ale výstup může být jen ve stavu vysoké a nízké impedance. Proud může do hradla pouze vtékat, nemůže vytékat. Spojené výstupy se potom chovají jako hradlo AND. Tedy pokud jsou všechny výstupy na logice 1 (stav vysoké impedance) je na nich logcká 1. Stačí však, aby byl jediný z výstupů v logice 0 a celý spojený celek se ocitne také ve stavu nízké impedance. Zapojení může vypadat podle obrázku: Obr. 8 Pricip hradla s otevřeným kolektorem.
Výstup běžných hradel je obvykle realizován dvojicí tranzistorů, z nichž je vždy otevřen jen jeden a připojuje na výstup buď napájecí napětí, nebo zem (komplementární zapojení, komplementární výstup). U hradel s otevřeným kolektorem je zapojen pouze tranzistor připojený k zemi. Na výstup je třeba přivést přes tzv. pull-up odpor (1kΩ až 10kΩ podle typu logiky) napájecí napětí. Tento způsob zapojení bývá někdy využíván při realizaci sběrnice (např. SCSI). V praxi se doporučuje nepřekračovat počet deseti spojených výstupů vzhledem ke komplikacím při hledání chyb v zapojení. Logická hradla se třemi stavy V některých případech při spojování výstupů hradel je výhodné používat tzv. třístavových logických členů. U těchto hradel vedle výstupních stavů na úrovni logické nuly a jedničky existuje ještě třetí stav, kdy výstup hradla je v podstatě od sběrnice odpojen (připojen ke sběrnici přes velkou impedanci). Tento stav umožňuje stejně jako hradlo s otevřeným kolektorem připojení výstupů hradel do jednoho bodu. Vedle dvou aktivních vstupů A a B má hradlo blokovací vstup U B. Vybuzením tranzistoru T 1 se uzavřou tranzistory T 3 až T 5 a hradlo má velkou výstupní impedanci. Realizace logických členů Obr. 9 Princip třístavového hradla NAND. Logický člen je možno sestavit z tranzistorů, diod, rezistorů a dalších pasivních součástek. Často se setkáváme s logickými členy ve formě integrovaných obvodů (řada 74xx), v nichž jsou hradla sestavena z několika tranzistorů. Dnes se však samostatné logické členy používají velmi málo, neboť je nahradily komplexní logické obvody, které provádějí složitější logické funkce. Ve skutečnosti jsou samozřejmě tyto funkce složeny ze mnoha jednodušších obvodů. Obr. 10 Vnitřní zapojení integrovaného obvodu 7400 se 4 hradly NAND.
Obr. 11 Integrovaný obvod 7400 se 4 hradly NAND je vyrobený pomocí tranzistorů.