Orbis pictus 21. století

1. Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

2. Hradla AND a NAND OB21-OP-EL-CT-JANC-M-2-013

3. Hradla AND a NAND • Dnes nejvíce používanými technologiemi na realizaci logických funkcí jsou technologie TTL a CMOS. Obě tyto technologie využívají polovodičové prvky. • Technologie TTL používá bipolární tranzistory a technologie CMOS tranzistory unipolární. • Jednotlivé logické prvky – hradla – realizují vždy příslušnou logickou funkci. • Nejvíce používanými logickými funkcemi jsou negace NOT realizovaná invertorem, logický součin AND realizovaný hradlem AND a logický součet OR realizovaný hradlem OR.

4. Hradla AND a NAND • V praxi jsou nejvíce používána hradla, která realizují úplný systém logických funkcí. • Jsou to logické funkce negovaného logického součinu NAND realizované pomocí hradla NAND a logická funkce negovaného logického součtu NOR realizovaná pomocí hradla NOR. • Obě tato hradla jsou vyráběna jak v provedení TTL, tak i v provedení CMOS. • Nejméně jsou v praxi používána hradla AND a OR.

5. Hradlo NAND v technologii TTL • Logické hradlo TTL bylo prvním vyrobeným logickým členem. • Typické uspořádání hradla NAND v technologii TTL standard (Tranzistor-Tranzistor-Logic) je znázorněno na obr. 1.

6. Hradlo NAND v technologii TTL Obr. 1 Vnitřní uspořádání dvouvstupového hradla NAND TTL

7. Hradlo NAND v technologii TTL • Důležitou součástí hradla NAND technologie TTL je víceemitorový tranzistor, pomocí něhož je logický součin realizován. • Je-li alespoň jeden ze vstupů A,B na úrovni logické nuly (tj. napětí menší než 0,8 V), je přechod báze – emitor tranzistoru T1 otevřen a prochází jím ze zdroje UCC přes rezistor R1=4k proud do vnějšího vstupního obvodu. • Tranzistor T1 je nasycen a na jeho kolektoru je napětí přibližně shodné s napětím na emitoru. • Tranzistor T2 je proto uzavřen, na rezistoru R3 s odporem 1k je nulové napětí a je tedy uzavřen i tranzistor T4.

8. Hradlo NAND v technologii TTL • Přes rezistor R2=1,6k prochází do báze tranzistoru T3 proud a na výstupu je napětí odpovídající úrovni logická 1. • Jeho hodnota je dána napájecím napětím UCC=5V, sníženým o úbytek napětí na přechodu báze-emitor tranzistzoru T3 a o úbytek napětí na diodě D.

9. Hradlo NAND v technologii TTL • Zvyšujeme-li napětí UI na vstupu obvodu až k napětí odpovídající úrovni logická 1, změní se činnost tranzistoru T1 tak, že emitorové přechody jsou uzavřeny a přechod báze-kolektor se chová jako propustně pólovaná dioda. • Tranzistor T1 pracuje v inverzním režimu (na emitoru má vyšší napětí než na kolektoru). • Proud určený rezistorem R1=4k a napětím zdroje UCC=5V prochází touto diodou do báze tranzistoru T2. Ten se nasytí a současně svým emitorovým proudem způsobí úbytek napětí na rezistoru R3 a otevře tranzistor T4.

10. Hradlo NAND v technologii TTL • Protože mezi kolektorem a emitorem tranzistoru T2 je jen malé saturační napětí, je tranzistor T3 uzavřen. K jeho uzavření přispívá též dioda D. • Na výstupu je kolektorové napětí nasyceného tranzistoru T4, které odpovídá úrovni logické 0.

11. Hradlo NAND v technologii TTL • Na obr. 2 je znázorněna převodní charakteristika standardního hradla TTL. • Znázorňuje závislost výstupního napětí hradla UO na vstupním napětí UI. • Bod A na charakteristice odpovídá skutečné rozhodovací úrovni, kdy UO = UI.

12. Hradlo NAND v technologii TTL Obr. 2 Převodní charakteristika hradla TTL

13. Hradlo NAND v technologii TTL • Dvouvstupové hradlo NAND se vyrábí pod označením 7400. Písmena před tímto označením udávají výrobce, např. SN je označení pro Texas Instruments. • Obdobně funguje v technologii TTL i hradlo AND, kdy je na výstupu za tranzistor T4 zařazen ještě další stupeň, který realizuje funkci invertoru tohoto signálu. • Kromě standardní řady 74XX existují i řady modifikované. Vznikly tak řady obvodů TTL, které se liší zapojením.

14. Hradlo NAND v technologii TTL Dále jsou uvedeny některé významné řady TTL: • TTL - standard, původní řada obvodů TTL • STTL – řada obvodů TTL využívající princip Schotkyho tranzistoru • LSTTL – nízkopříkonová řada obvodů STTL (Low Power Schotky) • ALSTTL – pokročilá nízkopříkonová řada obvodů STTL (Advanced Low Power Schotky) • FTTL – rychlá logika TTL (Fast TTL)

15. Hradlo NAND v technologii TTL • Nízkopříkonová řada LSTTL je v současné době nejvíce rozšířenou řadou. • V této řadě dodávají výrobci nejvíce typů produktů.

16. Hradlo NAND v technologii CMOS • Logická hradla v technologii CMOS se konstruují vhodným zapojením několika invertorů. • Hradlo NAND bývá sestaveno tak, že: • Spojíme dva MOSFET tranzistory T1 a T2 s n- kanálem v sérii a dva MOSFET tranzistory T3 a T4 s p-kanálem paralelně • Spojíme vývody hradel (G) tranzistorů MOSFET párově (s kanálem p a s kanálem n) T1 – T3 a T2 – T4, získáme zapojení dvouvstupového hradla NAND. Způsob zapojení je patrný z obr. 3. • Základní parametry a porovnání obvodů CMOS a TTL je uvedeno v tabulce Tab. 1.

17. Obr. 3 Zapojení dvouvstupového hradla NAND CMOS

18. Tab. 1 Porovnání parametrů obvodů TTL a CMOS

19. Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

20. Literatura • Antošová M, Davídek V.: Číslicová technika, KOPP České Budějovice 2008 • Bernard J., Hugon J., LeCovec R.: Od logických obvodů k mikroprocesorům I, SNTL Praha 1982