Transcript Proigmena_Psifiaka2

Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, «Ενίσχυση Σπουδών Πληροφορικής», ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ
Ιωάννη Καλόμοιρου, Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα
ΕΝΟΤΗΤΑ 2Η
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ TTL
Ημιαγωγικές
διατάξεις και ολοκληρωμένα κυκλώματα
Διατάξεις διπολικής λογικής: η οικογένεια TTL
Τρανζίστορ Schottky
Προδιαγραφές εισόδων και εξόδων
Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά
ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ
Οι ημιαγωγοί είναι στερεά υλικά, που
η αντίστασή τους είναι μεγαλύτερη
των μετάλλων και μικρότερη των
μονωτών. Έχουν τεράστια σημασία
στη σύγχρονη ηλεκτρονική, καθώς η
ηλεκτρική τους συμπεριφορά μπορεί
να ρυθμιστεί με τη βοήθεια
προσμίξεων.
Συμπεριφορά των ημιαγωγών με τη
θερμοκρασία: Σε χαμηλή θερμοκρασία είναι σχεδόν μονωτές. Σε
ψηλές θερμοκρασίες, ηλεκτρόνια
μεταπηδούν από τη ζώνη σθένους
στη ζώνη αγωγιμότητας, οπότε η
αγωγιμότητα αυξάνει εκθετικά με τη
θερμοκρασία.
Στο παραπάνω ενεργειακό διάγραμμα φαίνεται το ενεργειακό
χάσμα ενός ημιαγωγού, καθώς και
η δημιουργία οπής από τη
διέγερση ενός ηλεκτρονίου.
Τυπικοί ημιαγωγοί στις ηλεκτρονικές διατάξεις: Πυρίτιο (Si) και
Γερμάνιο (Ge).
Προσμίξεις τύπου n και p σε ημιαγωγούς
Με αντικατάσταση ενός αριθμού ατόμων
Ge στο πλέγμα με πεντασθενή άτομα As
προκύπτει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο ανά
άτομο πρόμιξης, που εύκολα μπορεί να
γίνει ελεύθερο. Έτσι προκύπτει n-τύπου
ημιαγωγός.
Με αντικατάσταση ατόμου του μητρικού
πλέγματος με άτομα τρισθενή προκύπτει
μια στάθμη που μπορεί εύκολα να ιονιστεί
δημιουργώντας ταυτόχρονα οπές στο
πλέγμα. Έτσι έχουμε p-τύπου ημιαγωγό.
Ηλεκτρόνια και οπές σε n και p τύπου ημιαγωγούς
Ενδογενής
ημιαγωγός: n=p
Φορείς σε ημιαγωγούς
με προσμίξεις τύπου n
και τύπου p
Διπολική λογική - Οι διατάξεις της οικογένειας TTL
Επαφή p-n
Η διάχυση ηλεκτρονίων-οπών στην περιοχή
της επαφής προκαλεί επανασύνδεση των
ζευγών ηλεκτρονίων-οπών και κατά συνέπεια
δημιουργείται στην περιοχή της επαφής μια
ζώνη απογύμνωσης από φορείς, η οποία
ονομάζεται αλλιώς περιοχή φορτίων χώρου.
Εκεί δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο και φράγμα
δυναμικού, που εμποδίζει την διάχυση των
φορέων.
Η ορθή πόλωση έχει σαν αποτέλεσμα να
υπερνικηθεί το φράγμα της περιοχής
απογύμνωσης, ώστε περνά το ρεύμα
διάχυσης. Η ανάστροφη πόλωση ενισχύει το
φράγμα δυναμικού και αυξάνει την περιοχή
απογύμνωσης, με αποτέλεσμα σχεδόν να μην
διέρχεται ρεύμα.
Στην ανάστροφη
πόλωση υπάρχει
μόνον ένα πολύ μικρό
θερμικό ρεύμα, που
ονομάζεται ανάστροφο
ρεύμα κόρου.
Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος (Ι-V) και ψηφιακές εφαρμογές
διόδου p-n
Η συνάρτηση που περιγράφει το
ρεύμα της διόδου γράφεται ως
εξής:
Ι = Ιs (eeV/kT – 1)
Is είναι το ανάστροφο ρεύμα
κόρου και V είναι η τάση
πόλωσης.
Στα ψηφιακά κυκλώματα η δίοδος
χρησιμοποιείται για να υλοποιεί τη
λογική του διακόπτη ON-OFF.
Το διπολικό τρανζίστορ
Στο διπολικό τρανζίστορ οι δύο
επαφές
pn
πρέπει
να
πολώνονται εξωτερικά με dc
τάσεις
και
ρεύματα.
Στην
κανονική λειτουργία η επαφή BE
πρέπει να είναι ορθά πολωμένη
ενώ η επαφή CB πρέπει να
πολώνεται ανάστροφα.
Στην κανονική λειτουργία, ένα μικρό
ρεύμα βάσης ελέγχει ένα μεγάλο
ρεύμα συλλέκτη.
Ι e = I b + Ic
Ic = βIb
To διπολικό τρανζίστορ σε λειτουργία διακόπτη
Το τρανζίστορ λειτουργεί ως διακόπτης και
τροφοδοτεί ή αποκόπτει μια αντίσταση
φορτίου R2.
Πολώνοντας ορθά τη βάση με ένα επαρκές
δυναμικό, δημιουργείται ένα μεγάλο ρεύμα
στο συλλέκτη. Τότε οι φορείς συσσωρεύονται στο συλλέκτη και το τρανζίστορ
βρίσκεται στον κόρο.
ON-OFF
Όταν η τάση στην είσοδο (στη βάση) γίνεται
μηδέν, τότε το ρεύμα βάσης μηδενίζεται. Τότε
μηδενίζεται και το ρεύμα του συλλέκτη, οπότε
το τρανζίστορ έρχεται στην αποκοπή.
TRANSISTOR-TRANSISTOR LOGIC: Η ΠΥΛΗ AND
Στην οικογένεια ολοκληρωμένων κυκλωμάτων TTL χρησιμοποιούνται δίοδοι και
τρανζίστορ για να υλοποιηθούν λογικές λειτουργίες – δηλ. λειτουργίες της δυαδικής
λογικής και της άλγεβρας των διακοπτών.
Με βάση τη διοδική λογική μπορούμε να κατασκευάσουμε απλές λογικές πύλες TTL
ως εξής:
Πύλη AND:
1. Ε1=0, Ε2=0
Ορθή πόλωση και στις δύο
διόδους (δίοδοι ΟΝ). Άρα S=0.
2. E1=1, E2=0 ή Ε1=0, Ε2=1
D1 ON, άρα S=0.
3. E1=1, E2=1. D1, D2 OFF.
Άρα, S=+5V (λογικό 1).
TRANSISTOR-TRANSISTOR LOGIC: Η ΠΥΛΗ OR
Πύλη ΟR:
1. Ε1=0, Ε2=0.
Μηδενική πόλωση και στις δύο
διόδους (δίοδοι ΟFF). Άρα S=0.
2. E1=1, E2=0 ή Ε1=0, Ε2=1.
D1 ή D2 ON, άρα S=+5V.
3. E1=1, E2=1. D1, D2 ON,
άρα S=+5V (λογικό 1).
ΛΟΓΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΜΕ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ
ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ SCHOTTKY
ΠΥΛΗ NAND ΣΕ TTL
TTL: Η πιο διαδεδομένη οικογένεια ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που χρησιμοποιεί
διπολική λογική είναι η οικογένεια TTL. Υπάρχουν πολλές υπο-οικογένειες TTL, με
διαφορετικές προδιαγραφές ταχύτητας, κατανάλωσης ισχύος κλπ. (Παράδειγμα: LSTTL: Low power Schottky).
Η βασική πύλη της οικογένειας
TTL είναι η NAND (74LS00). Αυτή
έχει στην είσοδο μια πύλη AND
με διόδους και ακολουθεί ένας
αναστροφέας με τρανζίστορ. Η
έξοδος αποτελείται από μια
βαθμίδα push-pull που μπορεί να
παρέχει επαρκές ρεύμα στην
έξοδο.
Η έξοδος μπορεί να δίνει ρεύμα
(source) ή μπορεί να απάγει
ρεύμα (sink).
ΜΟΡΦΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ICs της οικογένειας TTL
ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΛΟΓΙΚΑ ΕΠΙΠΕΔΑ TTL
Περιθώριο
θορύβου:
0.7 V High
0.3V Low
VOHmin : Ελάχιστο δυναμικό εξόδου στην κατάσταση HIGH.. Τυπική τιμή: 2.7V.
VIHmin: Ελάχιστο δυναμικό εισόδου, που η πύλες TTL αναγνωρίζουν ως HIGH.
Τυπική τιμή 2.0 V.
VILmax: Το μέγιστο δυναμικό εισόδου που αναγνωρίζεται ως LOW. Τυπική τιμή 0.8V.
VOLmax :Το μέγιστο δυναμικό εξόδου, που παράγεται ως LOW. Τυπική τιμή 0.5V.
Fanout: Πόσες εισόδους μπορούμε να συνδέσουμε σε μια TTL έξοδο.
Προδιαγραφές Εισόδων: Το ρεύμα που χρειάζεται μια είσοδος TTL εξαρτάται
από το αν η είσοδος είναι High ή Low. Αυτό καθορίζεται από δύο προδιαγραφές:
Vcc
Driving
circuit
Vcc
IILmax
OUT
IIHmax
IN
LOW
IILmax : Το μέγιστο ρεύμα που
χρειάζεται μια είσοδος ώστε να
οδηγηθεί στην κατάσταση LOW.
LS-TTL: - 0.4 mA
Driving
circuit
OUT
IN
HIGH
IIHmax : Το μέγιστο ρεύμα που
χρειάζεται μια είσοδος ώστε να
οδηγηθεί στην κατάσταση HIGH.
LS-TTL: 20μΑ
Ρεύμα εκτός: ΑΡΝΗΤΙΚΟ
Ρεύμα εντός: ΘΕΤΙΚΟ
Προδιαγραφές εξόδων: Οι έξοδοι μπορούν να δώσουν ή να απάγουν ρεύμα.
Με αναφορά τα προηγούμενα σχήματα διακρίνουμε τα εξής ρεύματα:
Output current Low: IOLmax. Το μέγιστο ρεύμα που μια έξοδος μπορεί να απάγει
στην κατάσταση LOW, καθώς διατηρεί το δυναμικό της κάτω από το VOLmax. Το
ρεύμα είναι θετικό, με τυπική τιμή 8mA.
Output current High: IOHmax: Tο μέγιστο ρεύμα που μια έξοδος μπορεί να δώσει
στην κατάσταση HIGH, καθώς διατηρεί το δυναμικό εξόδου της στο VOHmin
(τουλάχιστον). Το ρεύμα αυτό ρέει εκτός της εξόδου, οπότε είναι αρνητικό: -400
μΑ.
Υπολογισμός του FANOUT
Λαμβάνοντας τις τυπικές τιμές των ρευμάτων που ισχύουν για την οικογένεια LS
TTL (Low power Schottky TTL) υπολογίζουμε τους παρακάτω λόγους:
I OL max
8m A

 20
I IL max 0.4m A
I OH max 400A

 20
I IH max
20A
Άρα, μια είσοδος TTL μπορεί να οδηγήσει μέχρι 20 εισόδους στην κατάσταση
LOW και ομοίως μέχρι 20 εισόδους στην κατάσταση HIGH. Λέμε, λοιπόν, ότι
ένα LS-TTL έχει fanout 20.
Παραπάνω φορτίο έχει ζημιογόνα αποτελέσματα στη συμπεριφορά των
πυλών TTL.
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΓΙΑ ΥΠΕΡΦΟΡΤΩΣΗ ΕΞΟΔΩΝ
Για να βεβαιωθούμε ότι μία έξοδος δεν υπερφορτώνεται πρέπει να γίνουν οι εξής
δύο υπολογισμοί:
Για την κατάσταση HIGH: Προσθέτουμε όλα τα IIHmax που χρειάζονται όλες οι
οδηγούμενες είσοδοι. Αυτό πρέπει να είναι μικρότερο από το ΙΟHmax της
οδηγούσας εξόδου.
Για την κατάσταση LOW: Προσθέτουμε όλα τα ΙILmax των οδηγούμενων
εισόδων. Πρέπει το άθροισμα να είναι μικρότερο από το IOLmax της οδηγούσας
εξόδου.
Παράδειγμα: Σχεδιάζετε ένα σύστημα όπου μία LS-TTL έξοδος οδηγεί δέκα LSTTL εισόδους και τρεις S-TTL εισόδους. Να εξετάσετε μήπως το σύστημα
υπερφορτώνεται στην κατάσταση LOW ή στην κατάσταση HIGH.
Πίνακας ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των οικογενειών TTL
ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΦΟΡΤΙΩΝ ΑΠO TTL
VCC
LED
0
LE D
330
1
max 8mA
TTL GATE
TTL GATE
max
0.4mA
330
Μια LS-TTL έξοδος απάγει πολύ περισσότερο ρεύμα απ’ όσο μπορεί να δώσει:
Απάγει 8mA σε κατάσταση LOW.
Δίνει 400μΑ σε κατάσταση HIGH.
Άρα είναι πιο σωστό να φέρνουμε τα φορτία σε κατάσταση ΟΝ,
όταν η έξοδος είναι LOW (Βλέπε σχήμα αριστερά).
ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΕΣ TTL
Τα σημερινά κυκλώματα TTL είναι κατασκευασμένα με βάση την τεχνολογία των
τρανζίστορ και των διόδων Schottky. Οι ονομασίες τους φέρουν τα παρακάτω
χαρακτηριστικά:
74S nn
74LS nn
74AS nn
74ALS nn
Schottky TTL
Low power Schottky TTL
Advanced Schottky TTL
Advance Low power Schottky TTL
74F nn
Fast TTL
ΦΥΛΛΟ
ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ
TTL