6.12 Elektronické prvky pre logické operácie
Zvláštne prevedenie logických obvodov
Použitie logických úrovní v zberniciach USB
Ďalšie elektronické logické obvody
V súčasnej dobe sú logické úlohy riešené prevažne elektronicky s použitím techniky na báze tranzistorov. Od roku 1960, kedy bol predstavený prvý integrovaný obvod , prešiel vývoj veľký kus cesty. Podľa použitých súčiastok a ich zapojenia sa označujú typy logických integrovaných obvodov nasledovne:
RTL – Rezistor Tranzistor Logic (obr. 6.18.a), používajú na vstupoch rezistory, na výstupoch tranzistory.
DTL – Diode Tranzistor Logic (obr6.18.b), používali na vstupoch diódy, na výstupoch tranzistory
HTL – obvody používajúce iné napäťové úrovne a preto majú vysokú šumovú odolnosť.
TTL – Tranzistor Tranzistor Logic (obr. 6.19.), jeden z najrozšírenejších typov logických obvodov.
Obr. 6.18. Realizácia logického členu NOR:
a.) RTL technológiou, b.) DTL technológiou
Existuje niekoľko modifikácií obvodov TTL: < >
· štandardná rada nie je nijak zvlášť označovaná napr. 7400
· rýchla rada ,,H” – napr. 74H00 má menšie hodnoty odporu oproti štandartnej rade, a preto dosahuje vyššiu rýchlosť
· nízkopríkonová rada ,,L” – napr. 74L00 má naopak vyššie odpory rezistorov a preto i menší príkon a menšie rýchlosti
· rýchla Schottkyho rada ,,S” – využíva v štruktúre veľmi rýchle Schottkyho diódy, a preto sú obvody vhodné i pre vysoké frekvencie.
· rýchla nízkopríkonová rada ,,LS” – zapojenie so Schottkyho diódami pri nízkych príkonoch
· rýchla rada ,,AS” – nepoužíva viacemitorvé tranzistory
· rada ,,F” – má iné obvodové zapojenie s menšou teplotnou a napäťovou závislosťou, je rýchlejší než rada ,,S” pri 3x menšom príkone
Obr. 6.19. TTL prevedenie logického člena NAND
V súčasnosti sa používajú ,,nízkonapäťové ” logické obvody s napájacím napätím 3,3 V a menej obvody, ktoré majú iné napäťové úrovne pre logické hodnoty, napr. rada LVT (BiCMOS), ALVC (CMOS), LVC (CMOS), ALB (BiCMOS), AC (CMOS), AHC (CMOS) a iné.
CMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor – používa polom riadené (unipolárne) tranzistory, čo prináša v statickom režime prenikavé zníženie spotreby. Na frekvenciách cez 1 MHz ale ich spotreba dosahuje hodnoty rady ,,LS”. Dovoľuje však dosiahnuť veľmi vysoký počet prvkov na čipe (stupeň integrácie) a je preto základom zložitých logických systémov (pamäte, procesory, radiče apod.).
Jednoduchšie pracovné logické obvody môžu byť realizované pomocou špeciálnych logických prvkov s rôznymi firemnými názvami. Ich podstatou je vytvorenie stavebnicových prvkov na základe RTL (Rezistorovo – Tranzistorová logika), DTL (Diódovo viazaná Tranzistorová logika) alebo TTL logických obvodov (Tranzistor – Tranzistorová logika , obr.6.19.), alebo pomocou integrovaných obvodov. Zložitejšie úlohy, predovšetkým s premenným programom, sa potom obvykle rieši pomocou programovateľných automatov alebo pomocou počítačov, niekedy aj kombinovane.
Zvláštne prevedenie logických obvodov < >
Podľa zapojenia výstupného obvodu je možné previesť rozdelenie na výstup s aktívnou záťažou, trojstavový a s otvoreným kolektorom. Ďalej môžu byť vstupy hradle vybavené Schmittovým preklápacím obvodom.
a.) obvody s aktívnou záťažou: (s protitaktným výstupom) patrí k najrozšírenejším klasickým obvodom TTL. Výstup hradla je odoberaný so spoločného bodu dvojice výstupných tranzistorov , v ktorých je vždy jeden tranzistor zopnutý a druhý rozopnutý. Jeho výhodou je malá impedancia v oboch stavoch výstupu. Pri skratovaní výstupu na zem preteká výstupom skratový prúd 20 – 100 mA.
b.) obvody s trojstavovým výstupom: majú tri výstupné stavy – L,H a odpojený výstup (stav vysokej impedancie), pri ktorom sú oba tranzistory vypnuté. Do tretieho stavu je obvod uvedený zvláštnym vstupom – tzv. výberom čipu, chip select CS (obvykle hodnotou L). Obvody sa používajú najmä pre pripojenie výstupov niekoľko obvodov na spoločný vodič (zbernicu). Musí byť zaistené, že aktívny bude vždy len jeden obvod, ostatné budú mať stav vysokej impedancie. Tak možno jednoducho pripojiť mnoho logických obvodov na spoločný vodič.
c.) obvody s otvoreným kolektorom: majú na výstupe len jeden spínací tranzistor, ktorého kolektor tvorí vlastný výstup logického obvodu. Toto je možné využiť pre spínanie vyšších prúdov, napr. pre ovládanie LED alebo k vytvoreniu tzv. montážneho súčtu (wired OR).
d.) Schmittov preklápací obvod: niektoré vstupy logických obvodov môžu byť vybavené týmto vstupom. Jeho rozhodovacia úroveň je iná pre nábehovú a iná pre dobehovú hranu – má hysterézu. Hradlá spínajú pri nábehovej hrane 1,7 V a pri dobehovej hrane 0,8 V. Obvodom nevadí pomaly rastúce vstupné napätie a preto sa hodia napr. na úpravu hrán signálov, na prevod pomaly rastúceho či zašumeného signálu na signál pre klasické číslicové obvody apod. Je možné ich využitie i v oscilátoroch.
výstupu obvodu TTL s otvoreným kolektorom
Použitie logický úrovní v zberniciach USB < >
V súčasnej dobe sa začína pre prepojovanie periférií k PC využívať univerzálna sériová zbernica USB. Zbernica môže prenášať dáta prenosovou rýchlosťou 12 Mb/s, v lacnejšom prevedení 1,5 Mb/s. Je použité štvorvodičové pripojenie – dva vodiče (D+, D-) slúžia na prenos dát, jeden je napájací (+5 V), a ďalší slúži ako zemný vodič. V oboch variantoch je však použité diferenčné zapojenie vysielačov, líšiace sa napäťovými úrovňami od klasického spôsobu prenosu logických signálov.
Logická nula na výstupe je v intervale 0 – 0,3 V, logická jednička na výstupe hradla je min. 2,8 V. Vlastný užitočný logický signál je však pred prenosom zmenený pomocou diferenčného zapojenia (rozdiel napätí). Logická hodnota sa vtedy nezisťuje ako napätie oproti zemi, ale ako rozdiel napätia medzi oboma dátovými vodičmi D+, D–. Toto zaručuje vysokú odolnosť proti rušivým napätiam, ktoré pôsobia na obidva dátové vodiče.
Ďalšie elektronické logické obvody < >
Doteraz uvedené prostriedky, sú vhodné pre riešenie asynchrónnych kombinačných a sekvenčných logických obvodov a to buď s tzv. statickým riadením (zmenou úrovne), alebo dynamickým riadením – impulzom (hranou signálu). Asynchrónne riadenie má však nevýhodu v tom, že sa u neho môže vyskytovať tzv. hazard. Ten vzniká v dôsledku rôznych oneskorení v jednotlivých obvodoch zapojení v dôsledku prechodových dejov a tak vlastne možnosti stavov, ktoré nezodpovedajú formálnemu zápisu úlohy. Zložitejším zapojením možno hazard odstrániť, ale je to komplikované.
Iná cesta ako riešiť sekvenčné logické obvody bez nebezpečia hazardných stavov je prerušenie spätnej väzby za použitia pamäťových preklápacích obvodov, ktoré v dobe tohto prerušenia definuje stabilný vnútorný stav. Prechod medzi jednotlivými vnútornými stavmi je uskutočňovaný synchronizačnými (taktovacími, hodinovými) impulzmi, ktoré synchronizujú činnosť celého obvodu do rovnakých časových okamžikov. Realizuje sa to súčinom každého vstupného signálu s taktovacím impulzom. Synchrónny RS preklápací obvod sa teda líši od asynchrónneho hodinovým vstupom C. Niektoré obvody sú riadené nábehovou hranou hodinového impulzu (CH) a iné dobehovú hranu impulzu (CL).
Zvláštnym obvodom je tzv. jednovstupový preklápací obvod T (trigger alebo flip-flop). Je to obvod s jedným vstupom a jedným výstupom, avšak s dvoma vnútornými stavmi. S každým príchodom vstupného impulzu preklápa svoj výstupný stav. Frekvencia vstupných zmien ,,0” – ,,1” je u tohto obvodu polovičná než frekvencia výstupných zmien ,,1” – ,,0”. Používa sa často aj vo funkcii delenia frekvencie (delí dvoma).
Ako vyplýva zo zákonov Boolovej algebry , je možné akúkoľvek logickú funkciu realizovať buď kombináciou logického súčtu, súčinu a negácie, alebo postupným aplikovaním buď samotnej funkcie NAND, alebo samotnej funkcie NOR. To znamená, že pri konštrukcii akéhokoľvek kombinačného logického obvodu by sme mohli vystačiť s jediným typom logického člena NAND alebo NOR. Napriek tomu výrobcovia uvádzajú na trh rozsiahly sortiment kombinačných logických členov, kde vo vnútri systému sú vytvorené zložitejšie logické funkcie, ako napr. prevodníky kódov (dekódery) – umožňujú prevody dvojkovej sústavy na desiatkovú, osmičkovú atď., prepínače (multiplexory) – prepínajú 16 a viac jednobitových kanálov k jednému výstupu, selektory – môžu vyberať dvojbitové a štvorbitové informácie až so štyroch kanálov a sčítačky – sčítajú dve binárne čísla.
