1
MODULUL 4 bis: TEHNOLOGII LE DE REALIZARE A CIRCUITELOR / PORTILOR LOGICE.
PARAMETRII CARACTERISTICI
SEMNALE LOGICE
t
x = 1
x = 0
t
x = 1
x = 0tx = 1
x = 1
t
x = 1
x = 0
t tx = 1
x = 0
x = 1
x = 0
a)b)
Conventia pentru semnale folosind logica pozitiva (a)
si logica negative (b)
2
PRINCIPII DE REALIZARE SI FUNCTIONARE A CIRCUITELOR / PORTILOR LOGICE
In analiza functiilor logice realizate de un circuit este absolut necesar sa se
cunoasca conventia de logica folosita (logica pozitiva, logica negativa).
Teorema. Duala unei functii de variabile negate este egala cu negata functiei de variabile nenegate
( ) ( )1 2 1 2, ,... , ,...dn nf x x x f x x x=
O conventie logica se obtine din cealalta conventie prin negarea variabilelor. Operatori duali (complementari): SI – SAU, (SI – NU) – NICI, SAU EXCLUSIV – COINCIDENTA, INHIBARE – IMPLICARE. Tehnologii de realizare a functiilor si expresiilor logice:
i) Porti logice cu relee
Pe baza conventiei de logica, cu ajutorul contactelor releelor se pot obtine foarte usor operatiile logice de baza NU, SI, SAU si pe baza lor si celelalte operatii, cum ar fi: NICI, SI-NU, SAU EXCLUSIV etc. Desi folosite de mult in automatizari si protectii, proiectarea logica a unei retele cu contacte de relee poate fi destul de complicata. Totodata circuitele cu contacte nu pot fi folosite decat la viteze de comunicatie redusa. De aceea, utilizarea lor in realizarea unor circuite logice este destul de restransa.
ii) Portile logice RTL ( Rezistor – Tranzistor – Logica)
RTL a fost primul tip de poarta logica produs in forma integrata.
iii) Porti logice DRL ( Diode – Rezistor – Logic) Acestea permit realizarea operatiilor logice SI si SAU. Aceste circuite
lucreaza cu tensiuni continue la intrare si iesire ce pot avea doua nivele de tensiune, corespunzator deci celor doua valori binare.
iv) Porti logice DTL ( Diode – Tranzistor – Logic)
3
Deciziile logice se realizeaza cu ajutorul unui grup de diode de intrare, iar iesirea diodelor alimenteaza un etaj inversor cu tranzistor pentru a stabili nivelele de tensiune 1 logic si 0 logic la iesire.
Un circuit analog cu circuitul DTL modificat este circuitul HTL (High –
Tranzistor – Logic). Circuitul se caracterizeaza prin faptul ca una din diode serie este inlocuita cu o diode Zener de 7 V ce lucreaza in regiunea de strapungere inversa.
Tensiunea de prag creste la aproximativ 7,7 V si cu o tensiune de alimentare de 15 V rezulta o margine de zgomot ridicata de aproximativ 7 V.
Acest circuit este destinat pentru utilizari in echipamente industriale potrivite in experiente cu nivele selective de interferenta ridicate.
v) Portile logice TTL (Tranzistor – Tranzistor – Logic)
TTL este un sistem logic cu circuite integrate dezvoltate din DTL in care grupul de diode de intrare se inlocuieste printr-un transistor multi-emitor. Cele cateva jonctiune emitor-baza ale tranzistorului servesc drept diode de intrare iar jonctiunea baza-colector ca dioda serie. Poarta TTL realizeaza functia NAND, functionarea fiind similara celei a circuitului DTL.
DI SL DE
AL =∼
Schema principiala a unei instalatii de comanda cu elelemnte logice
4
Circuite logice cu relee
Circuite logice cu diode ce realizeaza functia SI
in logica positiva (a) si negativa (b)
Circuite logice cu diode ce realizeaza functia SAU
in logica positiva (a) si negativa (b)
5
Porti logice RTL (Resistor-Transistor-Logic)
Porti logice DTL (Diode-Transistor-Logic)
Poarta logica HTL (High-Transistor-Logic)
6
Porti logice TTL (Transistor-Transistor-Logic)
Circuit logic NAND realizat cu diode si tranzistor
Circuit logic NAND realizat in forma integrate
7
PARAMETRII CIRCUITELOR LOGICE
A. Interconectarea circuitelor logice
α) Caracteristica de transfer reprezinta variatia tensiunii de iesire a circuitului logic, v0, in functie de tensiunea aplicata pe o intrare a circuitului logic, vi, asa cum se vede si in figura de ami jos; celelalte intrari ale circuitului logic sunt polarizate in asa fel incat caracteristica de transfer respectiva sa fie semnificativa.
Din caracteristica de transfer se vor deduce:
- nivelele de tensiuni oferite la iesirea circuitului logic in calitate de nivele logice, VOL pentru 0, respective VOH pentru 1;
- nivelele de tensiuni acceptate la intrarea circuitului logic drept nivele logice, ViL pentru 0, respective ViH pentru 1;
- tensiunea de prag logic a circuitului VprL;
- marginile de zgomot statice in cele doua stari logice.
Circuitlogic
ii i0
vi v0
v0
vi
V0L
V0H=Valim
ValimVprL
v0
vi
V0L
V0H=Valim
ValimVprL. a) b) c)
Caracteristici ideale de transfer:
a) CL; b) pentru circuit inversor; c) pentru circuit neinversor
β) Caracteristica de intrare reprezinta dependent curentului de intrare, ii, de tensiunea de intrare, vi, cu notatiile din figura de mai sus.
Din caracteristica de intrare se deduc:
- curentii de intrare in cele doua stari logice, IiL si IiH, care reprezinta curenti de sarcina pentru circuitele de comanda; in cazul circuitului logic ideal, curentii de intrare sunt nuli in ambele stari logice;
8
- valorile maxime, Vi max si, respectiv, minima Vi min, ale tensiunii de intrare ce pot fi aplicate la intrarea circuitului logic.
γ) Caracteristica de iesire reprezinta variatia curentului de iesire, i0 in functie de tensiunea de iesire, v0, dependent de starea logica a circuitului la iesire, din care se deduc curentii I0L si I0H pe care circuitul este capabil sa-I dea in sarcina (sau sa-i absoarba din sarcina) in cele doua stari logice.
B. Comportarea in regim tranzitoriu Parametrii regimului tranzitoriu al circuitului logic vor fi:
- timpul de propagare definit ca intervalul de timp dintre trecerea tensiunii de intrare prin valoarea tensiunii de prag logic la care se considera ca se fac schimbari logice a circuitului si trecerea tensiunii de iesire prin aceiasi valoare;
- duratele fronturilor impulsurilor obtinute la iesire, tfHL si tfCH; - marginea de zgomot dinamica e data de amplitudinea minima a unui impuls
de durata precizata care poate provoca schimbarea starii logice a circuitului de iesire.
ViH = V0H
ViL = V0L
tpHL tpHLtpLH tpLH
V0H
VprL
V0L
0,9
V∆ V∆
0,1 V∆tf HL tf HLtf LH tf LH
intrare
iesire
9
C. Caracteristici de alimentare si putere disipata Se definesc urmatorii parametrii:
- tensiunea de alimentare (cu tolerantele acceptate); - curentii absorbiti de la sursa de alimentare; - puterea undei absorbita (consumata) sau puterea medie disipata.
Pentru a putea aprecia avantajele şi dezavantajele, trebuie avute în vedere
înainte de toate mai multe criterii, ce sunt exprimate prin anumite valori si care sunt cunoscute ca parametrii de catalog.
Tensiunea de alimentare. Cele mai multe circuite utilizează UB = 5V. Circuitele MOS şi LSL necesita tensiuni mai mari. Circuitele MOS pot funcţiona cu diferite tensiuni ridicate de alimentare: la tensiune mai mare ele lucrează mai repede şi raportul semnal-zgomot va fi mai mare. Imunitatea la zgomot (în tensiune). Dacă unui semnal H i se suprapune o perţurbatie, el nu trebuie să scadă cu mai mult decât o valoare UZH pentru a mai putea fi recunoscut sigur ca semnal H la intrarea porţii următoare. Similar un semnal L nu trebuie să crească mai mult decat cu o valoare UZH. Imunitatea la zgomot se defineşte ca: UZH = 0,5(UZH + UZH). UZ este mare mai ales la circuitele LSL. Puterea disipata. Ca putere (medie) disipata se defineşte: Pd = 0,5(PdH + PdL) (PdH, PdL: puterea la ieşire la semnal H, respectiv L). Mai ales la circuitele TTL se obtin timpi mici de întârziere dar la putere disipată ridicătă. Circuitele CMOS consuma o putere mică (desigur dependentă de frecventă). Timpul de propagare. Ca timp de propagare (valoare medie) se defineşte: T = 0,5( TLH + THL) (TLH este timpul cu care este întârziată schimbarea nivelului la ieşire din L în H, fată de schimbarea nivelului de intrare; THL este timpul cu care este întârziata schimbarea nivelului la iesire din H în L). Circuitele Standard- şi Schottky TTL au timpi mici de întârziere şi mai rapide sunt circuitele ECL. Factorul de merit. Factorul de merit notat PDP (Power Delay Product) este un parametru sintetic, în sensul că poate caracteriza poarta atât din punct de vedere al puterii disipate cât şi din din punct de vedere al timpului de propagare şi este definit prin produsul dintre puterea disipată şi timpul de propagare. Acest parametru poate fi interpretat ca fiind energia consumată pe decizie logică (pe
10
comutaţie). Există porţi logice care au un factor de merit de ordinul pJ sau chiar mai mic, situându-se sub valoarea factorului de merit corespunzător unui neuron
Frecvenţa maximă de comutaţie, (basculare). Circuitele basculante bistabile comandate secvenţial (prin tact) lucrează cu succesiuni (periodice) de impulsuri de comandă dreptunghiulare. Frecventa maximă pe care bistabilul (la factor de umplere τ = 0,5) o poate prelucra se numeşte frecventă, maximă de comutaţie (τ = durata impulsului / durata perioadei). Factorul de încărcare la ieşire. Factorul de încărcare la ieşire (fan-out) FE, dă numărul maxim de intrări ale unor circuite integrate din aceeaşi familie, care se pot conecta la ieşire. Componentele CMOS au un factor de încărcare la ieşire ridicat (FE = 50). Preţul. Cele mai ieftine sunt componentele TTL - Standard. Din tabel se pot lua valorile caracteristice pentru comparaţia celor mai importante familii.de circuite. In coloanele pentru Pd şi fmax ar apare valori necorespunzătoare, dacă s-ar pune în loc de puterea disipată (medie) Pd valoarea maximă garantată, respectiv în loc de valoarea tipică a frecventei maxime de comutaţie fmax valoarea ei garantată (de exemplu pentru TTL - Standard: Pd = 10 mW; Pdar = 19 mW; fmax = 25 MHz; fmaxgar = 15 MHz). Pentru integrarea pe scară largă (LSI, Large-Scale-Integration) sunt potrivite mai ales tehnicile MOS şi CMOS, a căror sensibilitate electrostatică reprezintă o problemă (protejarea intrărilor). Dezvoltarea în continuare a tehnicilor CMOS o reprezintă tehnicile LOGMOS şi HCMOS (timpi de întârziere mai mici ca la CMOS).
Tensiuni TTL
11
12
