Circuite integrate logice

Circuite integrate logice

I. Generalitati

Primele calculatoare utilizau sistemul zecimal,care necesita zece nivele distincte pentru fiecare ordin.

Deoarece era dificil ,s-a trecut la un sistem binar (numai cu doua nivele distincte).Utilizandu-se numai doua nivele,se poate afirma ca logica calculatoarelor numerice este o logica cu doua nivele.

Matematicianul George Boole a conceput principiile acestei logici,care se mai numeste si logica booleana,jucand un rol fundamental in conceptia ordinatoarelor numerice.

De la sistemul in baza zece se poate trece la sistemul in baza doi.ineinteles ca acelasi numar necesita o secventa mai lunga de cifre in sistemul binar decat in cel zecimal.

Exemplul 1:Numarul 15 se scrie in binar sub forma 1111,adica 15=2³+2²+2¹+2s

Deci se cauta in descompunerea numarului intr-o suma de puteri ale lui 2.

Exemplul 2: 10=2³+0+2¹+0,echivalentul in binar fiind 1010.Deci in dreptul termenilor 2² si 2s se pune "0" acestia lipsind din dezvoltare.

Cifrele folosite fiind numai 0 si 1,rezulta ca o variabila independenta nu poate lua decat doua valori(variabila se numeste variabila booleana).O expresie care depinde de una sau mai multe variabile boolene independente se numeste functie de variabile boolene.

Se considera o variabila independenta A,care poate lua valoarea "1" sau "0".Starea "0" se mai noteaza cu "a" si se citeste a negat,sau non a.Starea "1"se noteaza cu "a" si reprezinta variabila nenegata.

Considerand variabilele "A" si"B",care pot lua valorile "0" si ,combinatiile posibile vor fi notate cu P ,P ,P ,P

P =ab; P =ab; P =ab; P =ab.

Acesti termeni pot fi inscrisi intr-o diagrama Veitch,care poate avea mai multe forme dupa cum se poate vedea in figura 1.

   

Fig.1 Diagrame Veitch

Pentru doua variabile sunt necesare 4 dreptunghiuri,pentru trei variabile S(2³),pentru patru variabile 16 dreptunghiuri(2¹).Aceasta diagrama ajuta la determinarea tuturor combinatiilor ca si la minimizarea functiilor de mai multe variabile.Practic,pentru determinarea celor doua stari se folosesc nivele diferite de tensiune.

In cadrul logicii pozitive, "1" reprezinta nivelul cel mai scazut al potentialului,reprezentat in figura 2b.

a.

b.

Fig.2 Reprezentarea nivelelor logice 1 si 0

II. Clasificare

Circuitele integrate logice se pot clasifica dupa mai multe criterii printre care: tehnologia,gradul de integrare,modul de realizare a functiei.

O caracteristica de baza a tuturor acestor categorii este aceea ca tensiunile lor,de intrare sau iesire,nu pot avea decat doua valori.

In functie de tehnologia de realizare,circuitele integrate(CI)se clasifica in CI bipolare si CI-MOS.

Dupa gradul de integrare(numarul de componente pe o capsula-cip)se pot clasifica astfel:

-circuite integrate cu nivel mic de integrare(denumite conventional si CI,din generatia I):contin intre 100 de elemente pe cip;

-circuite integrate pe scara medie(generatia a II-a):contin intre 100 si 1000 de elemente pe cip;

-circuite integrate pe scara larga(generatia a III-a):contin intre 1000 si 10000 de elemente pe cip;

-circuite integrate pe scara larga(generatia a IV-a);contin peste 10000 de elemente pe cip.

Dupa modul de realizare a functiei circuitele logice se impart in circuite logice combinationale si circuite logice secventiale.

In cazul circuitelor combinationale semnalele de le bornele lor de iesire depind,la un moment dat,numai de semnalele aplicate in acelasi moment la bornele lor de intrare.Din aceasta categorie fac parte si portile logice care realizeaza functii logice de baza:SI,SAU,NU,SI-NU,SAU-NU,SAU-EXCLUSIV.

Circuitele secventiale sunt circuite ale caror semnale la iesire,la un moment dat,depind atit de semnalele aplicate in acelasi moment la bornele lor de intrare,cat si de semnalele aplicate la momente de timp anterioare.In aceasta categorie intra si circuitele basculante( Bistabile CBB,Monostabile CBM, Astabile CBA)registrele,numaratoarele.

Circuitul logic SI (conjunctia)

Se mai numeste si circuit de coincidenta.O functie SI este egala cu '1' daca si numai daca toate variabilele logice implicate sunt egale cu 1.Pentru a reprezenta conjunctia a doua sau mai multe variabile se utilizeaza un punct.In figura 3 este reprezentata o poarta SI.

Fig.3.Simbolul conjunctiei

S-a dat un exemplu de circuit SI cu trei intrari,numarul acestora fiind diferit de la caz la caz.O reprezentare intuitiva a circuitului SI este ilustrat in figura 4 in care pentru starea '1' contactul este normal inchis,iar starea '0' reprezinta un contact normal deschis.

Circuitul logic SAU (disjunctia)

Operatia logica SAU (disjunctia) atribuie rezultatului valoarea 1 daca cel putin una dintre variabile are valoarea 1 si respectiv valoarea 0 daca toate variabilele implicate au valoarea 0.Semnul folosit pentru operatia de disjunctie este '+'(operatia se mai numeste si suma logica).In figura 6 este prezentat simbolul utilizat curent in schemele logice.

Fig.6. Simbolul pentru disjunctie

3. Circuitul logic NU (negatia)

Negatia ocupa un loc important intre circuitele logice.Daca la intrarea unui astfel de circuit se aplica un nivel logic 1,la iesire apare 0 si invers.O variabila negata se noteaza cu o liniuta deasupra simbolului si se citeste non-A sau A-negat.Tabela de adevar este reprezentata in figura 8.

Fig.8. Tabel de adevar al circuitului NU Fig.9.Simbolul negatiei

Cel mai des folosit simbol la schemele logice este indicat in figura 9.O reprezentare a negatiei prin circuit cu contacte este aratata in figura 10.Atunci cand contactul A este deschis(0)becul se aprinde(1)si invers.

Fig.10. O reprezentare a negatiei prin circuit cu contacte   

Circuitul logic SI-NU (NAND)

Poarta SI-NU realizeaza operatia SI urmata de operatia NU.Aceasta se indica printr-un cerculet plasat la iesirea portii.Iesirea are valoarea logica 0 daca si numai daca toate intrarile au valoarea logica 1.Simbolul si expresia logica asociate portii SI-NU cu doua intrari sunt reprezentate in figura 11.O proprietate foarte importanta a acestui circuit logic este aceea ca orice functie poate fi sintetizata cu circuite SI-NU.

Fig.11. Circuit SI-NU

Pentru a intelege functionarea unui circuit SI-NU sa examinam schema cu contacte din figura 12a.Contactele A si B pot fi considerate intrarile unui circuit SI-NU.Presupunem valoarea logica ! atunci cand becul se aprinde si 0 cand becul este stins.Conform definitiei becul este stins.Conform definitiei becul este stins(0) daca si numai daca ambele contacte sunt inchise(figura 12b)

Fig.12a. Schema cu contacte a circuitului SI-NU    Fig.12b.

5. Circuitul logic SAU-NU (NOR)

Poarta SAU-NU realizeaza operatia SAU urmata de operatia NU.Functia logica SAU-NU este definita printr-o propozitie compusa din mai multe variabile.Ea este adevarata daca si numai daca toate variabilele implicate sunt false.Cu alte cuvinte,iesirea are valoarea logica 1 daca toate intrarile au valoarea logica 0.Acest lucru se vede foarte bine din figura 13b.

Fig.13a. Circuit logic SAU-NU Fig.13b.

Se presupune valoarea logica 1 cand becul se aprinde si 0 cand el este stins.Daca ambele contacte sunt deschise,becul lumineaza.In rest,pentru orice combinatie a valorilor variabilelor A si B becul ramane stins.Simbolurile uzuale si expresia logica sunt date in figura 14.Si aceasta poarta logica este foarte importanta,cu ajutorul circuitelor SAU-NU putindu-se realiza orice schema logica.

Fig.14. Simbolul circuitului logic SAU-NU

Circuite integrate logice tranzistor-tranzistor (TTL)

Circuitele integrate TTL au rezolvat problema gabaritului si sigurantei in functionare a montajelor cu circuite logice.

Particularitatile componentelor integrate conduc la scheme(pentru circuitele integrate monolitice)mult diferite de variantele lor cu componente discrete.Integrarea monolitica beneficiaza de aportul unor componente proprii deosebit de utile in circuitele logice,cum sunt tranzistoarele multicolector.Asemenea structuri sunt intalnite foarte des in schema electrica a circuitelor logice integrate.

In continuare vor fi prezentate trei circuite logice realizate sub forma de capsule integrate .Acestea sunt cele mai utilizate.

a.Circuitul integrat inversor (NU)

Exemple de astfel de circuite sunt:CDB404E,SN 7404,EJH 241,MIC7404,SFC 404E.Caracteristica acestor circuite este iesirea in contratimp.

Alte circuite sunt CDB 405E,SN 7405,FJH 251,MIC 7405 si SFC 405E.Toate au iesirile cu colectorul in gol.

In capsula CDB 404E se gasesc 6 inversoare de acest tip.In fig.20 a sau schema si conexiunile acestui circuit integrat.

a.

Fig.20a.Circuitul integrat logic CDB 404E

Avantajul acestui tip de iesire,in contratimp,consta in realizarea unei impedante de iesire mici in ambele stari logice,sensibilitate redusa la zgomot.

In montajele practice se intalnesc situatii cand este nevoie de legarea mai multor iesiri in paralel.Acest lucru nu se poate face,deoarece exista posibilitatea ca unul din etaje sa aiba iesirea 0.In acest caz,tranzistorul final al acestuia ar trebui sa suporte si curentii celorlalte iesiri cu nivelul 1.Curentii mari duc la distrugerea tranzistoarelor finale.Pana la 16 mA se poate garanta buna functionare a circuitelor.

b.Circuite integrate logice 'SI'

Acest tip de circuit este fabricat cu doua intrari,fiind grupate cate 4 circuite pe aceeasi placuta de siliciu(in interiorul aceleasi capsule).Exemple de indicative ale

c.Porti logice "SI-NU" (NAND)

Sunt cele mai utilizate in aplicatiile cu circuite TTL.In aceasta privinta exceleaza poarta NAND cu doua intrari,motiv pentru care se va face o descriere detaliata a circuitului CDB400E.

Circuitul CDB400E contine in aceeasi capsula patru porti SI-NU(NAND).Fiecare poarta poate fi folosita independent,realizand functia F=AB.

Capsula are 14 picioruse,ale carei conexiuni se dau in fig.25.

Fig.25 Circuitul integrat logic CDB 400E

6. Poarta logica-trigger Schmitt

Generalitati.De mai multe ori este necesara obtinerea unor semnale dreptunghiulare.Exista in acest sens mai multe metode,una din ele constand in transformarea unor semnale de o alta forma(sinusoidala,triunghiulara) in semnale dreptunghiulare.

Circuitul care s-a consacrat in indeplinirea acestei functii de transformare este triggerul Schmitt.El se poate realize cu tranzistoare sau cu circuite integrate.Exista in familia TTL o capsula -CDB 413E-care contine doua triggere.Semnalul obtinut la iesire este negat fata de cel de la intrare.

Fig.29 Circuitul integrat logic CDB 413E

Descriere si functionare O capsula CDB 413E contine doua circuite formatoare,avand fiecare cate 4 intrari(fig.29).Cele doua porti realizeaza cate o finctie SI-NU cu 4 variabile(4 intrari).Astfel,Y =A ,B ,C ,D si Y =A ,B ,C ,D .modul de legare a unei porti se indica in fig.30.Capacitorul C separa o eventuala componenta continua a semnalului aplicat la intrare.Rezistorul de 560Ω asigura nivelul logic 0 la intrarea triggerului in absenta semnalului,iar dioda EFD protejeaza poarta in momentul aparitiei unor impulsuri negative.

9. Circuite integrate MOS

Daca circuitele integrate TTL au avantajul unei viteze mari de lucru,circuitele MOS au avantajul consumului redus si densitatii mari de componente pe mm².Tehnologic,aceste circuite logice au in compunerea lor tranzistoare cu efect de camp cu poarta izolata de tip MOS.Aceasta tehnologie exceleaza in aplicatii ca:memorie de mare capacitate,microprocesoare.

Cele mai importante avantaje ale tehnologiei MOS sunt:

-precizie ridicata a parametrilor tranzistoarelor

-consum redus de energie

-tehnologie simpla in comparative cu cea TTL

-circuitele logice contin numai tranzistoare MOS si in acest mod sunt mai si mai simple

Circuite integrate CMOS (MOS Complementar)

In foarte multe aplicatii,circuitele logice TTL sunt inlocuite de circuitele logice integrate in tehnologie CMOS.Aceste circuite contin tranzistoare MOS cu canale de ambele polaritati.Consumul static de putere al acestora este de 10 nW/poarta,extreme de scazut fata de cel al circuitelor TTL.

Un avantaj fata de circuitele MOS-simplu canal il reprezinta tensiunea de alimentare care este cuprinsa in domeniul 3 . .15V,ceea ce usureaza combinarea circuitelor CMOS cu TTL in diverse aplicatii.