Logička kola

• • • • • • • • nivoi integracije familije logičkih kola naponski nivoi logičkih kola margina šuma funkcija prenosa dinamičke karakteristike faktor grananja trostatička logička kola

Podela po nivou integracije

• Mali stepen integracije (SSI - Small Scale Integration) – do 100 gejtova • Srednji stepen integracije (MSI – Medium Scale Integration ) – 10 2 – 10 3 gejtova • Veliki stepen integracije (LSI – Large Scale Integration ) – 10 3 – 10 5 gejtova • Veoma veliki stepen integracije (VLSI - Very Large Scale Integration ) – 10 5 – 10 7 gejtova • Ultra veliki stepen integracije (ULSI - Ultra Large Scale Integration ) – 10 7 – 10 9 gejtova • Giga nivo integracije (GSI - Giga Scale Integration ) – 10 9 10 12 gejtova – • Tera nivo integracije (TSI - Tera Scale Integration) 10 12 vi še gejtova ili

Familije logičkih kola

• DL : Diodna logika • RTL : Otporničko (Resistor) tranzistorska logika • DTL : Diodno tranzistorska logika • TTL : Tranzistor-tranzistor logika • ECL : Emiterski povezana (Emitter coupled) logika • MOS : Metal-oksid poluprovodnička (Semiconductor) logika (PMOS i NMOS) • CMOS : Komplementarna (Complementary) metal oksid poluprovodnička logika • BiCMOS : Bipolarno – komplementarna metal-oksid poluprovodnička logika

Texas Instruments je 1964 predstavio prvu seriju standardnih TTL čipova 54/74xx Tri dominantne familije logičkih kola koje se trenutno koriste su TTL, CMOS i BiCMOS. ECL kola se koriste za neke specijalizovane primene, dok su preostale navedene familije zastarele Svaka od navedenih familija logičkih kola se proizvodi u velikom broju varijanti koje se razlikuju u karakteristikama U proizvođačkim specifikacijama za svako kolo se definše: • Napon napajanja • Temperaturni opseg rada • Naponski nivoi i margina šuma • Kašnjenja signala • Faktor grananja • Disipacija snage

Postoji preko 500.000 različitih logičkih kola

Logi čki i naponski nivoi

V

OH(min) :

Visok naponski nivo na izlazu (“1”), minimalni napon koji logičko kolo generiše kao “1”.

V

OH(min)

je 2,4 V za TTL i 4,7 V za CMOS.

V

IH(min) :

Visok naponski nivo na ulazu (“1”), minimalni napon koji će garantovano biti prepoznat kao logička “1”.

V

IH(min)

je 2 V za TTL i 3,7 V za CMOS.

I

OH :

Maksimalna struja koja se može generisati na izlazu koji je na visokom logičkom nivou, a koja održava izlazni napon iznad

V

OHmin

I

IH :

Struja ulaza logičkog kola kada se logička “1” dovede na taj ulaz

I

OH

I

IH

V

OH

V

IH Masa

Logi čki i naponski nivoi

V

OLmax :

Maksimalni izlazni napon kada je stanje na izlazu logička “0”.

V

OLmax je 0,4 V za TTL i 0,1 V za CMOS.

V

ILmax :

Maksimalni ulazni napon koji će garantovano da bude detektovan kao logička “0”.

V

ILmax je 0,8 V zaTTL and 1,5 V za CMOS kola

I

OLmax :

Maksimalna struja koju izlaz može prihvatiti kada je izlaz na logičkoj “0”, a da napon ostane ispod

V

OLmax

I

IL :

ulaz Struja ulaza logičkog kola kada se logička “0” dovede na taj

I

OL

I

IL

V

cc

V

cc

V

OL

V

IL Masa

V

T

: [Napon praga] kolu.

Napon na kome (teoretski) dolazi do promene stanja u logičkom

Margina šuma (Noise Margin)

• Margina šuma se definiše kao najgori mogući slučaj razlike izlaznog napona jednog stepena i ulaznog napona sledećeg stepena • Što je veća margina šuma moguća je pojava većeg neželjenog signala koji ne bi uticao na ispravnost rada logičkog kola • Razlozi za pojavu šuma su različiti: – Baterije gube svoj pun potencijal, ili je izvor napajanja nestabilan – Visoke radne temperature mogu izazvati pomeraj u radnim naponima tranzistora ili u strujnim karakteristikama – Lažni impulsi se mogu pojaviti na signalnim linijama usled indukcije bilo zbog spoljnih elektromagnetnih smetnji ili normalnih signala u uređaju NM h = V OHmin - V IHmin NM l = V ILmax - V OLmax

V

u

V

i

V

DD

V

DD

Funkcija prenosa

Logički invertor

V

i

V

i

V

DD

V

OH

V

DD /2

V

DD

V

u Karakteristika prenosa idealnog logičkog invertora NM l NM h

V

OL

V

OL

V

IL

V

IH

V

OH

V

u Karakteristika prenosa realnog logičkog invertora

V

u

Dinamičke karakteristike

V

DD Logička kola ne mogu u trenutku promeniti logička stanja na izlazu

V

i

t

PLH je kašnjenje pre promene izlaza sa nis kog na visoki logički nivo

t

PHL je kašnjenje pre promene izlaza sa vis okog na niski logički nivo I

t

PLH i

t

PHL se mere između 50% ulaznih i izlaznih prelaza Često se definiše i vreme kašnjenja kao aritmetička sredina ove dve vrednosti

t PD

 1 2

(t PHL



t PLH )

Pored kašnjenja, dinamičke karakteristike su i vreme uspona i vreme opadanja signala.

t r i t f se definišu kao vremena potrebna da signal promeni amplitudu od 10% do 90% odnosno od 90% do 10% u odnosu na ukupnu promenu u vrednosti signala Tipična vremena uspona i opadanja za većinu logičkih kola su između 1 i 4 ns

Faktor grananja (Fan-out)

• Faktor grananja (koristi se i termin faktor opteretljivosti) predstavlja maksimalni broj logičkih kola koji se mogu priključiti na izlaz nekog logičkog kola, a da mu pri tome naponski nivoi ostanu u granicama dozvoljenog opsega • Faktor grananja se definiše za povezivanje kola istog tipa (istih ulaznih i istih izlaznih karakteristika) i ne može se direktno koristiti u slučaju povezivanja logičkih kola realizovanim u različitim tehnologijama • Efekti povezivanja prevelikog broja logičkih kola može dovesti do sledećih efekata: – Nizak naponski nivo na izlazu

V

OL može biti veći od

V

OLmax – Visok naponski nivo na izlazu – Vremena uspona i opadanja t r

V

i t OH f može biti manji od pouzdanost rada uređaja i skraćuje njegov životni vek

V

OHmin – Radna temperatura uređaja se može povećati čime se smanjuje se mogu povećati iznad specifiranih vrednosti – Kašnjenje može biti veće od specifirane vrednosti • Kašnjenje logičkog kola se povećava sa brojem uređaja koji su povezani na njegov izlaz

Faktor grananja

LS faktor grananja 

I

OL

I

IL HS faktor grananja 

I

OH

I

IH faktor grananja  min  LS f.g., HS f.g.



•

Disipacija snage

Svako logičko kolo povezano je na izvor napajanja logičkih kola) i troši određenu struju u toku rada. Kako kola mogu generisati visok (HIGH) ili nizak (LOW) logički nivo ili biti u stanju prelaza između ovih stanja. Definišu se tri različite struje: –

I

CCH

V

CC (

V

DD : Struja kola pri visokom naponskom nivou na izlazu u slučaju CMOS –

I

CCL : Struja kola pri niskom naponskom nivou na izlazu –

I

CCT : Struja kola pri prelasu iz niskog u visoki naponski nivo ili obrnuto • Za TTL kola ,

I

CCT je praktično zanemarljiva u poređenju sa

I

CCH i

I

CCL pretpostavi da su

I

CCH i

I

CCL približno jednaki dobija se da je: Prosečna disipacija snage =

V

CC * (

I

CCH +

I

CCL )/2 . Ako se • Za CMOS kola,

I

CCH i

I

CCL struje su zanemarljive u odnosu na

I

CCT . U tom slučaju je: Prosečna disipacija snage =

V

CC *

I

CCT • • Za TTL familije logičkih kola disipacija snage ne zavisi od frekvencije rada, dok je kod CMOS kola frekvencija rada glavni faktor Disipacija snage je važan parametar iz dva razloga: – Kod uređaja koji se napajaju iz baterija energija je ograničena i disipacija snage definiše životni vek baterije.

– Disipacija snage je takođe proporcionalna toploti koja se generiše, što može dovesti do povećanja radne temperature i nepravilnog rada uređaja

E Ulaz

Trostatička logička kola

VDD 5V U pojedinim situacijama (naročito u računarskim sistemima) često je potrebno povezati izlaze više logičkih kola na zajedničku liniju (magistralu) Q3 Q2 Izlaz Povezivanje dva ili više logičkih izlaza može da dovede do konflikta na toj liniji, ili čak i do pregorevanja kola.

Da bi se izbegao ovakav tip problema konstruiše se i poseban tip kola koji pored logičke “0” i logičke “1” poseduje i treće stanje u kome je izlaz u stanju visoke impedanse Q1 Q4 Na slici je prikazan invertor kod kojeg signal E (enable) kontroliše da li tranzistori Q3 i Q4 provode ili ne. Kada je E na visokom logičkom nivou tranzistori Q3 i Q4 provode i tada kolo radi kao običan invertor. Kada je E na niskom logičkom nivou, tranzistori Q3 i Q4 ne vode tako da je izlaz praktično otkačen od ostatka kola.

Varijante logičkih kola

– 74

xx

• Ovi uređaji su imali kašnjenje od oko 10ns i disipaciju oko 10mW – 74H : Orignalna TTL familija

xx

: Velika brzina (High speed) • Brzina je povećana na račun smanjenja vrednosti otpornosti u kolima. Treba primetiti da je ovo dovodi do povećane potrošnje (disipacije) – 74L

xx

: Mala potrošnja (Low power) • Potrošnja je smanjena povećanjem vrednosti otpornosti u kolima, ali na račun brzine rada – 74S

xx

: Šotki (Schottky) • Upotreba Šotki tranzistora unapredila je brzinu. Disipacija je manja nego kod 74H

xx

varijante – 74LS • Koristi Šotki tranzistora radi unapređenja brzine. Koristi velike otpornisti u kolima radi smanjenja disipacije – 74AS

xx xx

: : Šotki male snage (Low power Schottky) Napredni Šotki (Advanced Schottky) • Dvostruko brži od 74S

xx

uz približno istu disipaciju – 74ALS

xx

: Napredni Šotki male snage (Advanced Low power Schottky) • Manja potrošnja i veća brzina od 74LS

xx

– 74F

xx

: Brza (Fast) • Performanse su između 74AS

xx

i 74ALS

xx

Varijante logičkih kola

• Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) kola su zamenila TTL kola tokom ’90 • Prednosti: – Rad sa širim opsegom napona od bilo koje druge familije logičkih kola – Velika otpornost na šum – Minimalna potrošnja pri radu na niskim frekvencijama – Rad sa ekstremno malim ulaznim strujama – Veliki faktor grananja • Mane: – Potrošnja se povećava sa frekvencijom rada – Osetljiv na ESD - elektro-statička pražnjenja (discharges)

Varijante logičkih kola

–

40xx

: Originalna CMOS familija • Relativno spora kola, ali veoma male potrošnje – 74HC

xx

: CMOS Velike brzine (High speed CMOS) • Bolje izlazne struje od 40

xx

. Koristi napajanja između 2 i 6 V • Veći napon → veća brzina • Manji napon → manja potrošnja – 74HCT

xx

: CMOS Velike brzine (High speed CMOS), TTL kompatiblan • Bolje izlazne struje od 40

xx

. Koristi napajanje od 5 V • Kompatiblan sa TTL familijom – 74AC

xx

: Napredni (Advanced) CMOS • Veoma brza kola • Nije TTL kompatiblan – 74ACT

xx

: Napredni (Advanced) CMOS, TTL kompatiblan • Isti kao 74AC

xx

, ali kompatibilan sa TTL familijom – 74FCT

xx

: Brzi (Fast) CMOS, TTL kompatibilan • Brži je i ima manju potrošnju od 74AC

xx

• Kompatibilan sa TTL familijom i 74ACT

xx

varijanti