Cieľom tejto výberovej prednášky je doplniť text o základoch elektroniky (konkretne látku zo skrípt D. Kollar "Elektronika a automatizácia, základy jadrovej elektroniky II, skriprá MFF UK, 1990) a tiež aj praktickým spôsobom oboznámiť študentov so základami činnosti číslicových a logických obvodov. Na príkladoch zapojení s integrovanými obvodmi TTL si jednak nasimulovať a potom aj prakticky oskúšať funkciu základných zapojení s integrovanými obodmi a tak lepšie pochopiť ich princip a funkciu, bez zachádzania do prílišných podrobností, ktoré často zahmlievajú výklad a sú ďaleko od potrieb experimentálneho fyzika. Nedielnou súčasťou prenášky sú praktické demonštrácie jednotlivých obvodov na spojovacej doske so zásuvnými kontaktmi. Kontaktné polia spojovacej dosky umožňujú pomerne rýchlu montáž zapojení, ktorých funkcia bola predbežne overená pomocou jednoduchého simulačného programu (load zazipovanú verziu programu: dig_simul.zip, resp. programu ewbd - circuit.zip čo umožní aj samostane "doma" si overovať funkciu obvodov). Podrobnejšie údaje o parametroch integrovaných obvodov sú na stránke web: http://hw.cz/docs/giicm/GIICM.html.

• Analógové veličiny (spojite sa meniace) menia svoju hodnotu plynule. Príkladom sú všetky veličiny merajúce sa ručičkovými prístrojmi - elektrické veličiny U, I, R a pod. Presnosť u analógových prístrojov je veľmi nízka a naviac u ručičkových prístrojov hrozí zvýšené nebezpečir chyby v dôsledku nepozorného odčítania.

• Číslicové (digitálne) hodnoty sú založené na dvojkovom (binárnom) zápise fyzikálnych veličín (signálov). Dvojkové signály (fyzikálna veličina je vyjadrená 2 hodnotami (bitmi – z anglického binary digit) obvykle označovanými ako nula a jednička) možno dobre spracovávať elektronickými obvodmi. Napríklad v integrovaných obvodoch typu TTL dvojkový napäťový signál vyjadrený číslicou 0 (resp. úrovňou L) charakterizuje napätia ležiace v rozmedzi 0 až 0,8V a považujeme ho za nulu. Podobne všetky hodnoty napätia ležiace v rozmedzí 2V až 5V budeme považovať za jedničku (resp. úroveň H). Oblasť medzi 0,8V a 2V považujeme pre tieto signály za zakázané pásmo (obr. 1.1). Pokiaľ vznikne pri spracovaní číslicových signálov hodnota, ktorá leži vo vnútri tohto zakázaného pásma opraví ju nasledujúci obvod na jedničku alebo nulu, podľa toho či leží pod alebo nad rozlišovacou úrovňou.

Obr.1-1.

Pomocou dvojkových signálov možno vyjadriť číslice v ľubovolnej sústave (napríklad na vyjadrenie jednej desiatkovej číslice treba 4 dvojkové číslice). Hovoríme, že možno použiť rôzne spôsoby zakódovania desiatkových číslic. K výhodám číslicovej techniky patrí stabilita a odolnosť proti rušeniam.

Teoreticky sá dá dokázať, že vhodnejšia ako dvojková sústava (optimálnejšia z hľadiska potreby čo najmenšieho počtu funkčných obvodov) by bola trojková sústava. Jedným z pokusov sú trojstavové logické obvody (stav logickej jedničky, logickej nuly a stav s veľmi nízkou vodivosťou, v ktorom s určitým zjednodušením môžeme pokladať logický člen za nepripojený).

Najdôležitejšie vlastnosti integrovaných obvodov.

V 19 storočí navrhol írsky matematik George Bool spôsob ako zapisovať logické výroky a tiež ako ich matematickými prostriekami riešiť. Podľa neho sa sústava pravidiel pre formálny zápis a vyhodnotenie zložitých podmienok (výrokov) nazýva tiež Boolova algebra.

Základnými opeáciami Boolovej algebry je logický súčin (konjukcia, AND), logický súčet (disjunkcia, OR), negácia (technicky realizovaná pomocou logického člena - invertora).

Vo vzťahoch na obrázku 1-2 je použité označovanie logického súčinu bodkou (Y=A.B) a znamienkom plus označovanie logického súčtu (V=A+B). Je to z hľadiska matematickej logiky určitá nepresnosť, nakoľko tieto symboly sa používajú aj pre aritmetické operácie. V technickej praxi sa však vžilo, ľahko sa vykresľujú ako grafický symbol a s týmto ohraničením ich budeme v ďalšom texte používať.

Na zápis výrokov z dvojhodnotovou premenou sa používa pravdivostná tabuľka. Na schématické označovanie logických členov, ktoré zodpovedajú základným operáciam Boolovej algebry sa používajú schématické značky (symboly v rôznych štátoch sa môžu líšiť – označenie použité na obrázku vychádza z normy ČSN, v USA a u väčšiny svetových výrobcov sa používajú symboly a metodika označovania, založená na americkej norme MIL-STD-806B, ktorú ilustruje obrázok 1-2).
 

Logický súčin AND Logický súčet OR Invertor – člen na realizovanie logickej negácie
(symbolika vychádzajúca z normy ČSN) Obr.1-2	(symbolika vychádzajúca z normy MIL-STD-806B)

Symboliky vychádzajúcej z normy US normy MIL-STD-806B  sa pridrža väčšina dostupných programov na kreslenie obvodov.

I keď z uvedených 3 typov logických členov možno zostaviť ľubovolne zložitý obvod (obvod vyhodnocujúci ľubovolne zložitú podmienku) používajú sa v praxi logické obvody (zostavené z tranzistorov), v ktorých je základná logická funkcia kombinovaná s negáciou. Takéto obvody označujeme skratkou NAND, NOR a pod.
 
 

(a)	(b)	(c)

Obr.1-3 Symbol pre negovaný logický súčin s dvoma vstupmi: podľa normy ČSN; podľa normy MIL-STD-806B; tzv. de Morganov teorém, umožňujúci previesť logickú funkciu AND na OR a opačne.

Logické členy NAND, AND, NOR a OR, ktoré sme doteraz spomínali reagujú na okamžitú hodnotu premených na svojich vstupoch (presnejšie reagujú s určitým ns oneskorením). Dôležité je že tieto logické členy reagujú len na kombináciu logických premených, ktorá bola privedená na ich vstup a preto im hovoríme kombinačné logické členy a obvodom z ktorých sú zostavené kombinačné obvody.

Okrem toho však existujú logické členy a obvody, ktoré majú pamäť. Takéto obvody označujeme ako sekvenčné, pretože reagujú na postupnosť hodnôt na vstupe. Znamená to, že sú schopné si zapamätať poslednú hodnotu signálu, ktorá bola privedená na ich vstupy a udržať túto hodnotu ľubovoľne dlho. Logický obvod, ktorý je schopný si zapamätať jednu dvojkovú číslicu sa nazýva preklápací obvod.
 

	S	R	Qt+1
	0	0	Qt
	0	1	1
	1	0	0
	1	1	-
Obr.1-4a Preklápací obvod RS a jeho tabuľka stavov

Podľa svojich 2 vstupov obvod na obrázku 1-4a  sa označuje ako preklápací obvod typu RS (z reset - vynulovať a set - preklopiť do jedničky). Na popis chovania preklápacieho obvodu sa už nehodí pravdivostná tabuľka ale sa používa tabuľka stavov. V tejto tabuľke je jeden stĺpec vyhradený každému vstupu (R,S) a naviac je jeden stĺpec vyhradený budúcemu stavu výstupu preklápacieho obvodu (označeného ako Q_t+1). Stav Q_t vyjadruje hodnotu, ktorú si obvod pamätá z predošlého razu. Pri určitom stave vstupov (kombinácia 11) zostane zachovaný doterajší stav - táto kombinácia (tzv. zakázaná vstupná kombinácia) nezaručuje však jednoznačne ako sa obvod bude chovať.

Vysvetlenie ďalšich základných pojmov.

• Kladná logika - napätie prislúchajúce úrovni H je vyššie ako napätie prislúchajúce úrovni L.

• Záporná logika - napätie prislúchajúce úrovni L je vyššie ako napätie prislúchajúce úrovni H.

Obr.1-4b.  Ilustrácia platnosti de Morganovho teorému (obr. 1-3c) pre logické členy NOR a NAND (symbolické značky podľa normy MIL-STD-806B): v hornom riadku pre signály v rámci kladnej logickej konvencie;  v dolnom riadku pre signály v rámci zápornej logickej konvencie.

• Symbol logického člena.

Každý symbol logického člena sa skladá z dvoch častí:

• Symbolu, vyjadrujúceho logickú funkciu (napríklad AND, OR, negáciu);
• Symbolického vyjadrenia typu konvencie (pozitívnej alebo negatívnej logiky). Malý krúžok (obr. 1-4b) na niektorom zo vstupov alebo výstupov značí, že aktívny účinok má negatívna polarita signálu. Svorky bez malého krúžku upozorňujú, že deklarovaná logická funkcia musí používať pozitívnu logiku. Výhodou takéhoto označenia je, že sa v rovnakom logickom symbole možno použiť ako pozitívnu tak aj negatívnu logiku.
 
Ako príklad pre vysvetlenie smyslu symboliky možno použiť tranzistor typu npn so zaťažovacím odporom R_z na obrázku 1-5a. Tranzistor sa chová ako súčinové hradlo s jedným vstupom na báze B (polarita impulzu na výstupe C a je opačná ako na vstupe B) a druhým vstupom na emitore E (polarita impulzu na výstupe C a vstupe E je rovnaká). Podľa normy MIL-STD-806B teda logickým symbolom tranzistora je tvar symbolu pre súčin, ku ktorému sú na vstupoch E a C pripojené malé krúžky.
 

Obr.1-5       a) Tranzistor so zaťažovacím odporm Rz;      b) Logický symbol pre tranzistor vyjadrený súčinom AND;      c) Logický symbol pre tranzistor vyjadrený súčtom OR.

V praxi číslicových obvodov sa takmer všeobecne pracuje s pozitívnou logikou, preto aj v ďalšom výklade budeme predpokladať, že vždy ide o pozitívnu logiku.

• Logický zisk - počet budených vstupov, ktoré môžeme pripojiť na výstup predchádzajúceho obvodu.

• Logická úroveň - pre obvody TTL sa udávajú napäťové rozsahy, ktoré sa označujú ako nízky L a vysoký H. Medzi týmito rozsahmi leží nedefinovaná napäťová oblasť, ktorá nesmie pri činnosti integrovaných obvodov trvale nastať. Zásadne musíme rozlišovať napäťové rozsahy na vstupoch (s indexom I) a na výstupoch (s indexom O) integrovaného obvodu TTL.

• Pre vstupy platí:

• Vstupná úroveň U_IHmin=2V, ak je privedená na všetky vstupy, bude na invertovanom výstupe nízka úroveň L.
• Vstupná úroveň U_ILmax=0,8V, ak je privedená na jeden zo vstupov, bude na invertovanom výstupe úroveň H

• Pre výstupy platí:

• Výstupná úroveň U_OHmin=2,4V.
• Výstupná úroveň U_OLmax=0,4V.

Okrem toho treba poznať aj prúdové pomery na vstupoch a výstupoch integrovaných obvodov TTL, aby sme vedeli koľkými vstupmi môžme zaťažiť výstup predošlého obvodu.

• Pre každý vstup je:
• vstupný prúd pre úroveň L je  -I_ILmax=1,6mA,
• vstupný prúd pre úroveň U_IH=2V činí I_IHmax=40mA a pre úroveň U_IH=5,5V činí I_IHmax=1mA.

• Výstupné prúdy:
• u nevýkonových TTL obvodov sú v obidvoch logických úrovniacj 10x väčšie,
• u výkonejšich (napr. 7440) 30 x väčšie.

Z toho možno stanoviť logický zisk,ktorý je v prípade:
• bežných obvodov TTL N=10,
• u výkonnejšich obvodov N=30

• Odolnosť proti poruchám (šumová imunita) - je to približne polovičný rozdiel napätí medzi úrovňami H a L. Impulz rušivého napätia, ak sa objaví na spoji medzi výstupom z jedného do vstupu druhého hradla, nesmie spôsobiť zmenu stavu druhého hradla. Typická hodnota tejto odolnosti je približne 1V. Minimálna zaručovaná hodnota (za najnepriaznivejšich napäťových podmienok podľa obrázku 1-6) je 0,4 V.

• Prenosové oneskorenie - interval medzi skokovou zmenou amplitúdy (napr. H->L) na vstupe a zodpovedajúcou zmenou na výstupe (napr. na invertovanom výstupe L->H). Prenosové oneskorenie, merané na určitej napäťovej úrovni je pre prechod L->H a prechod H->L odlišné. Priemerné prenosové oneskorenie obvodov TTL 74xx je 13 až 15 ns.

• Pracovná rýchlosť - najčastejšie môže byť vyjadrená na základe prenosového oneskorenia.

• Bit - základná jednotka informácie. Jednoduchý preklápací obvod si môže uchovať jeden definovaný stav na výstupe a to buď úroveň H alebo úroveň L. Hovoríme, že má kapacitu jeden bit.

• Byte (bajt) - osembitová informácia alebo slovo, ktoré má 8 bitov.

Charakteristické parametre impulzu:

• čelo impulzu,
• vrchol impulzu,
• tylo impulzu

Obr. 1-8 Charakteristické parametre impulzu.

Základné vlastnosti integrovaných obvodov.

Podľa hustory integrácie (počtu polovodičových elementov na kremíkovej doštičke, ktorej hovoríme číp integrovaného obvodu) sa rozdeľujú na obvody:

• s malou integráciou (SSI), ktoré majú najviac 50 polovodičových elementov ;
• s strednou integráciou (MSI), ktoré majú 10 až 100 elementov ;
• s veľkou integráciou (LSI), ktoré majú 100 až niekoľko tisíc polovodičových elementov ;
• s veľmi veľkou integráciou (VLSI), ktoré majú 100000 a viac polovodičových elementov.

Používa emitorovo viazanú dvojicu tranzistorov ako základnú buňku, ktorá má vysokú hraničnú frekvenciu a ktorá zaručuje činnosť v nenasýtenom stave. Vďaka tejto skutočnosti majú obvody ECL veľmi malé prenosové oneskorenie (< 1ns pri výkonovej strate 23mW na člen). Ich logický zisk je 25. Nevýhodou je potreba 2 napájacich zdrojov a malá odolnosť proti poruchám. Tento typový rad je určený pre výrobu veľmi rýchlych zapojení.
 

Obr. 1-9. Dvojvstupový člen OR, NOR v emitorovo viazanej logike

 
 

Tranzistorovo - tranzistorová logika (TTL)

Je zrejme najpoužívanejšim typom logiky. Základný rad 74xx (pre teplotný rozsah 0 až 70 °C) sa vyznačuje pomerne veľkou rýchlosťou (prenosové oneskorenie okolo 13 ns) a malou spotrebou (10 mW na hradlo). Rad 54xx je určený pre teploty -55 až 125°C. Okrem toho sa vyrabajú aj v prevední 54L/74L ako pomalší variant (prenosové oneskorenie 33 ns) s nižšou spotrebou (1 mW na hradlo).

Obr.1-10a Vnútorné zapojenie dvojvstupového hradla NAND (7400) v logike TTL.

	Obr.1-10b. Zapojenie hradla obvodu 7400, u ktorého je aspoň jeden vstup pripojený na úroveň L.
	Obr.1-10c. Zapojenie hradla obvodu 7400, u ktorého je aspoň jeden vstup pripojený na úroveň H.

	Obr.1-11. Zapojenie hradla obvodu 7403 s odpojeným kolektorom. Takéto hradlá vyžadujú pripojenie vonkajšieho rezistora, čo však ale umôžňuje paralelne zapájanie hradiel.
(a)
	(b) Realizácia logickej funkcie montážne OR (wired OR) pomocou hradla s odpojeným kolektorom.
	(c) Realizácia logickej funkcie NAND pomocou hradla s odpojeným kolektorom.

Obr. 11-12 Náhradné obvody pre typický obvod TTL: a) Náhradný obvod výstupu v stave H b) Náhradný obvod výstupu v stave L c) Náhradný obvod vstupu v stave H d) Náhradný obvod vstupu v stave L

Zlepšená modifikácia obvodového riešenia logiky TTL 54S/74S s použitím Schotkyho diódy dosahuje väčšej rýchlosti (prenosové oneskorenie hradla 3 ns) pri zachovaní malej straty (20 mW na hradlo). Schotkyho dióda realizovaná prechodom kov - polovodič sa umiestňuje paralelne k prechodu báza - kolektor a pôsobí ako obmedzovač. Pretože táto Schotkyho dióda má nižšie napätie v priepustnom smere ako prechod kolektor - báza, odvádza nadbytočý bázový prúd a tým zamedzuje stav nasýtenia tranzistora, čím skracuje prepínaciu dobu.)
 
 
 

Unipolárne (MOS) integrované obvody

Doteraz spomenuté obvody ECL a TTL sa nazývajú bipolárne, pretože používajú oba typy vodivosti polovodičov (P a N). Integrované obvody unipolárne (MOS) majú len jeden typ vodovosti polovodiča. Používajú tranzistory, ktorých vodivosť je ovládaná elektrickým poľom (FET). MOS obvody majú menšiu pracovnú rýchlosť (frekvencia hodinových impulzov je max 10 MHz oproti 25 MHz v TTL a 75 MHz u logiky so Schotkyho diódami). Obovodové riešenie je rovnaké ako u TTL, len u MOS je možná väčšia plošná hustota súčiastok na čípe.
 
 

Unipolárne komplementárne (CMOS) obvody

Poľom riadené tranzistory MOS možno použiť ako spínače a okrem toho pri veľmi malých prúdoch môže MOS tranzistor vykonávať aj funkciu rezistora. Vďaka tomu možno v jednom technologickom procese vytvoriť spínače a odpory obvodov MOS. Komplementárna logika CMOS používa tranzistory MOS s kanálmi p a n, čím sa znižuje výkonové zaťaženie obvodov. Operačná rýchlosť obvodov MOS je o niečo menšia ako obvodov TTL. Prednosťou MOS obvodov je však:

• Prakticky nulový vstupný odpor, nakoľko riadiaca elektróda FET je odizolovaná. Preto je aj koeficient vetvenia obvodov CMOS vysoký.
• Tranzistor MOS zaberá menej miesta na čípe ako bipolárny tranzistor a preto sa da docieliť na kremíkovom substráte vysoká integrácia tranzistrorov.

Obr. 1-13a.  Invertor CMOS.

Obr. 1-13b.  Prenosová charakteristika invertora CMOS.

Na obrázku 1-13 je invertor CMOS. Prahové napätie v_A n-kanálového tranzistora je obyčajne +1,5V a p-kanálového tranzistora –1,5V. Preto ak je vstup v stave logickej nuly (je na ňom úroveň L) je n-kanálový tranzistor zatvorený a p-kanálový má indukovaný vodivý kanál s odporom ~ 500W medzi výstupom v_X a svorkou napájacieho napätia. Ak sa napätie v_A zvýši na +1,5V, tak začne byť vodivý n-kanálový tranzistor. V tomto prípade sú vodivé oba MOS tranzistory a napätie v_X je určené spádom napätia na deliči, vytvorenom sériovým spojením oboch kanálov. Keď napätie v_A dosiahne +3,5V, p-kanálový tranzistor sa uzatvorí a n-kanálový tranzistor má indukovaný kanál s odporom 500W , ktorý spája výstup v_X so zemou (obr. b). Vplyv záťaže prakticky neexistuje a preto je výstupné napätie blízke 0 alebo 5V. Pri činnosti invertora je jeden z MOS tranzistorov vždy nevodivý a prúd odoberaný zo zdroja je veľmi malý. Tým sa objasňuje minimálny spotrebovaný výkon, ktorý je charakteristický pre obvody CMOS.
 

Obr. 1-14.  CMOS člen NOR.

Obr. 1-15.  CMOS člen NAND.

Na obrázku 17 je modifikované zapojenie invertora na dvojvstupový NOR člen. Ak sú v_A a v_Bv stave 0 (s úrovňou L) sú oba p-kanálové tranzistory vodivé a oba n-kanálové sú zatvorené. Preto bude na výstupe v_X úroveň H. Ak je v_Aalebo v_B alebo ak oba vstupy sú v stave H bude na výstupe úroveň L, čo zodpovedá logickej operácii NOR.

Zmenou charakteru paralelne – sériového spojenia MOS tranzistorov (obr. xx) zísame CMOS element NAND. Počet vstupov týchto členov môže byť ľahko zvýšený na 3, 4, 5 a viac jednoduchým zväčšením paralelne – sériových MOS tranzistorov. Typické prenosové oneskorenie obvodov CMOS je 25 ns pri záťaži s kapacitou 15pF. Každý vstup má kapacitu 5pF.

Použité súčiastky v praktiku

Montážna doštička plošných spojov alebo doštička s zasúvacími objímkami je napájaná so zdroja jednosmerného napätia +5 V (so zápornou polaritou pripojenou na uzemnenie - "zem")

Na indikáciu logických stavov sa používajú svietiace diódy LED - svietivky. Medzi anódou a katódou svietiacej diódy LED bude napätie okolo 1,7 V (na rozdiel od 0,2 V na Ge dióde a 0,7 V na Si dióde).