O poartă logică digitală este un dispozitiv electronic care ia decizii logice pe baza diferitelor combinații de semnale digitale prezente pe intrările sale. Porțile logice digitale pot avea mai multe intrări (A, B, C etc.) dar, în general, au doar o ieșire digitală (Q). Porțile logice individuale pot fi conectate împreună pentru a forma circuite combinaționale sau secvențiale sau funcții de poartă logică mai mari.

În general vorbind, IC-urile logice TTL utilizează tranzistoare cu joncțiune bipolare tip NPN și PNP în timp ce IC-urile logice CMOS utilizează tranzistoare cu efect de câmp tip MOSFET complementare sau JFET, atât pentru intrare cât și pentru circuite de ieșire.

La fel ca tehnologia TTL și CMOS, porțile simple de logică digitală pot fi realizate prin conectarea împreună a diodelor, tranzistoarelor și rezistoarelor pentru a produce RTL (porți logice rezistor-tranzistor), DTL (porți logice diodă tranzistor), sau ECL (porți logice emitor-cuplat), dar acestea sunt mai puțin obișnuite acum în comparație cu familia populară CMOS.

Circuitele integrate sau IC-uri, așa cum sunt ele mai des numite, pot fi grupate în familii în funcție de numărul de tranzistoare sau de "porți" pe care le conțin. De exemplu, o poartă simplă AND conține numai câteva tranzistoare individuale, pe când un microprocesor mai complex poate conține multe mii de porți cu tranzistoare individuale. Circuitele integrate sunt clasificate în funcție de numărul de porți logice sau complexitatea circuitelor într-un singur cip, cu clasificarea generală a numărului de porți individuale date de:

Clasificarea circuitelor integrate

• Integrare pe scară mică sau SSI - Conține până la 10 tranzistoare sau câteva porți într-un singur pachet, cum ar fi porțile AND, OR, NOT gate.

• Integrare pe scară medie sau MSI - între 10 și 100 de tranzistoare sau zeci de porți într-un singur pachet și efectuează operații digitale cum ar fi adunări, decodări, contorizare, flip-flop și multiplexare.

• Integrare pe scară largă sau LSI - între 100 și 1000 de tranzistoare sau sute de porți și realizează operații digitale specifice, cum ar fi cip-uri de I/O, unități de memorie, aritmetice și logice.

• Integrarea pe scară foarte mare sau VLSI - între 1.000 și 10.000 de tranzistoare sau mii de porți și realizează operații computerizate, cum ar fi procesoare, magistrale de memorie mari și dispozitive logice programabile.

• Integrare pe scară super-mare sau SLSI - între 10.000 și 100.000 de tranzistoare într-un singur pachet și efectuarea unor operații computaționale, cum ar fi cip-uri de microprocesor, microcontrolere, PIC-uri de bază și calculatoare.

• Integrarea pe scară ultra-mare sau ULSI - mai mult de 1 milion de tranzistoare - sunt utilizate în calculatoare procesoare, unități de procesare grafică, procesoare video, micro-controlere, FPGA-uri și PIC-uri complexe.

În timp ce clasificarea ULSI "la scară ultra-mare" este mai puțin utilizată, un alt nivel de integrare care reprezintă complexitatea Circuitului Integrat este cunoscut pe scurt ca System-on-Chip sau (SOC). Aici, componentele individuale, cum ar fi microprocesorul, memoria, perifericele, logica I/O, toate sunt produse pe o singură bucată de siliciu și reprezintă un întreg sistem electronic într-un singur chip, punând literal cuvântul "integrat" în circuit integrat.

Aceste cip-uri integrate complete, care pot conține până la 100 de milioane de porți individuale cu tranzistor CMOS cu siliciu într-un singur pachet, sunt utilizate în general în telefoane mobile, camere digitale, microcontrolere, aplicații tip PIC și robotizate.

Legea lui Moore

În 1965, Gordon Moore co-fondatorul companiei INTEL a prezis că "numărul de tranzistoare și rezistoare pe un singur cip se va dubla la fiecare 18 luni " în ceea ce privește dezvoltarea tehnologiei porților semiconductoare. Când Gordon Moore și-a făcut celebrul comentariu în 1965, existau aproximativ 60 de porți individuale cu tranzistoare pe un singur cip de silicon.

Primul microprocesor din lume în 1971 a fost Intel 4004 care avea o magistrală de date pe 4 biți și conținea aproximativ 2.300 de tranzistoare pe un singur cip, funcționând la aproximativ 600 kHz. Astăzi, Intel Corporation a plasat o porțiune de 1,2 miliarde de porți cu tranzistoare individuale pe noul său cip de microprocesor Quad-core i7-2700K Sandy Bridge pe 64 de biți care funcționează la aproape 4 GHz, iar numărul de tranzistoare pe un cip continuă să crească, pe măsură ce se dezvoltă microprocesoare și microcontrolere mai noi și mai rapide.

Stări logice digitale

Poarta logică digitală este blocul de bază din care sunt construite toate circuitele electronice digitale și sistemele pe bază de microprocesor. Primele porți logice digitale execută operațiile logice ale AND, OR și NOT pe numerele binare.

În schema logică digitală sunt permise numai două nivele de tensiune sau stări, iar aceste stări sunt denumite în general "1" logic și "0" logic, High și Low, sau TRUE și FALSE. Aceste două stări sunt reprezentate în algebra Booleană și în tabele de adevăr standard prin cifrele binare "1" și, respectiv, "0" .

Un bun exemplu de stare digitală este un comutator simplu de lumină deoarece este fie "ON", fie "OFF", dar nu ambele în același timp. Atunci, putem rezuma relația dintre aceste stări digitale diverse ca fiind:

Cele mai multe porți logice digitale și sisteme logice digitale utilizează „logica pozitivă“, în care un nivel logic „0“ sau „LOW“ este reprezentat de o tensiune zero, 0 V sau masa și un nivel logic „1“ sau „HIGH“ este reprezentat de o tensiune mai mare , cum ar fi +5 V, cu trecerea de la un nivel de tensiune la altul, fie de la un nivel logic „0“ la „1“ sau „1“ la „0“ fiind făcută cât mai repede posibil pentru a preveni orice funcționare defectuoasă a circuitului logic.

Există și un sistem complementar „Logica negativă“, în care valorile și regulile unui „0“ logic și „1“ logic sunt inversate, dar în această secțiune tutorial despre porți logice digitale ne vom referi numai la convenția logică pozitivă deoarece este cel mai frecvent utilizată.

În IC-urile standard TTL (tranzistor-tranzistor logic) există un interval prestabilit de tensiune pentru nivelele de tensiune de intrare și ieșire care definesc exact ceea ce este un nivel logic "1" și care este un nivel logic "0" și acestea sunt prezentate mai jos .

Nivele TTL ale tensiunilor de intrare și ieșire

Există o mare varietate de tipuri de porți logice atât în ​​familia bipolară 7400, cât și în familia CMOS 4000 de porți logice digitale, cum ar fi 74Lxx, 74LSxx, 74ALSxx, 74HCxx, 74HCTxx, 74ACTxx etc, fiecare având avantaje și dezavantaje distincte în comparație cu celălalt. Tensiunea exactă de comutare necesară pentru a produce un "0" logic sau un "1" logic depinde de grupul sau familia logică specifică.

Cu toate acestea, atunci când se utilizează o sursă standard de 5 volți, orice intrare de tensiune TTL între 2,0 V și 5 V este considerată "1" logic sau "HIGH", în timp ce orice intrare de tensiune mai mică de 0,8 V este recunoscută ca "0" logic sau "LOW“. Regiunea de tensiune dintre aceste două nivele de tensiune, fie ca intrare, fie ca ieșire, se numește Regiunea nedeterminată și funcționarea în această regiune poate determina poarta logică să producă o ieșire falsă.

Familia logică CMOS 4000 utilizează diferite nivele de tensiune în comparație cu tipurile TTL, deoarece sunt proiectate folosind tranzistoare cu efect de câmp sau FET-uri. În tehnologia CMOS un nivel logic "1" funcționează între 3,0 și 18 V iar un nivel logic "0" este sub 1,5 V. Atunci, tabelul următor prezintă diferența dintre nivelele logice ale porților logice tradiționale TTL și CMOS.

Nivele logice TTL și CMOS

Deci, din observațiile de mai sus, putem defini poarta logică digitală TTL ideală ca având un “0” logic cu nivel "LOW" de 0 volți (masa) și un “1” logic cu nivel "HIGH" de +5 volți și aceasta poate fi demonstrat de:

Nivele de tensiune pentru poarta logică digitală TTL ideală

unde deschiderea sau închiderea comutatorului produce fie un nivel logic "1", fie un nivel logic "0", rezistorul R fiind cunoscut ca un rezistor "pull-up".

Zgomot logic digital

Dar, între aceste valori definite HIGH și LOW se găsește ceea ce se numește în general "pământul nimănui" (zona albastră de mai jos) și dacă aplicăm o tensiune de semnal de o valoare în zona aceasta, nu știm dacă poarta logică va răspunde la ea ca la un nivel "0" sau la un nivel "1", iar ieșirea va deveni imprevizibilă.

Zgomotul este denumirea dată unei tensiuni aleatorii și nedorite care este indusă în circuitele electronice de interferențe externe, cum ar fi comutatoarele din apropiere, fluctuațiile surselor de alimentare sau de la fire și alți conductori care preiau radiații electromagnetice neplăcute. Atunci, pentru ca o poartă logică să nu fie influențată de zgomot, trebuie să aibă o anumită marjă de zgomot sau imunitate la zgomot.

Imunitatea zgomotului prin poarta logică digitală

În exemplul de mai sus, semnalul de zgomot este suprapus peste tensiunea de alimentare Vcc, și atâta timp cât acesta rămâne peste nivelul minim VON(min) de intrare, ieșirea corespunzătoare a porții logice nu este afectată. Dar când nivelul zgomotului devine suficient de mare și un vârf de zgomot determină ca nivelul de tensiune HIGH să scadă sub acest nivel minim, poarta logică poate interpreta acest vârf ca o intrare de nivel LOW și comută ieșirea în consecință, producând o comutare falsă a ieșirii. Atunci, pentru ca poarta logică să nu fie afectată de zgomot, trebuie să fie capabilă să tolereze o anumită cantitate de zgomot nedorit la intrarea sa fără a schimba starea de ieșire.

Porți logice digitale simple

Porți logice digitale simple pot fi făcute prin combinarea de tranzistoare, diode și rezistoare cu un simplu exemplu de poartă logică AND Diodă-Rezistor (DRL) și poartă logică NAND Diodă-Transistor (DTL) date mai jos.

Poarta simplă AND diode-rezistor cu 2 intrări poate fi transformată într-o poartă NAND prin adăugarea unui etaj de inversare cu un tranzistor (NOT). Folosirea unor componente discrete, cum ar fi diode, rezistoare și tranzistoare, pentru a face circuite de poartă logică digitală nu sunt utilizate în circuitele integrate logice disponibile în comerț, deoarece aceste circuite suferă de întârziere de propagare sau de întârziere a porții, precum și de pierderi de putere datorate rezistoarelor pull-up.

Un alt dezavantaj al logicii diode-rezistor este că nu există facilitate "Fan-out", care este abilitatea unei singure ieșiri de a comanda multe intrări ale etajelor următoare. De asemenea, acest tip de schemă nu comută pe deplin "OFF", deoarece un "0" logic produce o tensiune de ieșire de 0,6 V (cădere de tensiune pe diodă), deci se va utiliza în locul ei următoarele modele de circuite TTL și CMOS.

Porți logice TTL de bază

Poarta simplă AND cu diode-rezistor de mai sus utilizează diode separate pentru intrările sale, una pentru fiecare intrare. Deoarece un tranzistor este realizat din două circuite de diode conectate împreună reprezentând un dispozitiv NPN sau unul PNP, diodele de intrare ale circuitului DTL pot fi înlocuite cu un singur tranzistor NPN cu intrări multiple de emitor, așa cum se arată.

Poarta logică digitală Emitor-Cuplat

Emitor cuplat logic sau ECL este un alt tip de poartă logică digitală care utilizează logica tranzistorului bipolar unde tranzistoarele nu sunt acționate în regiunea de saturație, așa cum sunt cu poarta logică digitală TTL. În schimb, circuitele de intrare și ieșire sunt tranzistoare conectate push-pull cu tensiunea de alimentare negativă în raport cu masa.

Acest lucru are ca efect creșterea vitezei de funcționare a porților logice cu emitor cuplat până la gama Gigahertzi comparativ cu tipurile standard TTL, dar zgomotul are un efect mai mare în logica ECL, deoarece tranzistoarele nesaturate funcționează în regiunea lor activă și amplifică la fel de bine și semnalele de comutare.

Sub-familia "74" a circuitelor integrate

Cu îmbunătățiri în proiectarea circuitului pentru a ține cont de întârzierile de propagare, de consumul curent, de cerințele fan-in și fan-out etc, acest tip de tehnologie tranzistor bipolar TTL formează baza familiei cu prefix "74" a IC logic digital, cum ar fi „7400“ Quad 2-input AND gate, sau „7402“ Quad 2-input OR gate, etc.

Sunt disponibile IC-uri ca subfamilii ale seriei 74xx care se referă la diferite tehnologii utilizate pentru fabricarea porților și sunt marcate cu literele între desemnarea 74 și numărul dispozitivului. Există un număr de sub-familii TTL disponibile care oferă o gamă largă de viteze de comutare și consum de energie, cum ar fi 74L00 sau 74ALS00 AND gate, unde "L" vine de la "Low-power TTL" și "ALS" vine de la "Advanced Low-power Schottky TTL"și acestea sunt listate mai jos.

• 74xx sau 74Nxx: Standard TTL - Aceste dispozitive sunt familia originală TTL de porți logice introduse la începutul anilor '70. Ele au o întârziere de propagare de aproximativ 10 ns și un consum de energie de aproximativ 10 mW. Tensiunea de alimentare: 4,75 până la 5,25 V.

• 74Lxx: TTL de joasă putere - Consumul de energie a fost îmbunătățit față de tipurile standard prin creșterea numărului de rezistențe interne, dar cu prețul unei reduceri a vitezei de comutare. Tensiunea de alimentare: 4,75 până la 5,25 V.

• 74Hxx: TTL de mare viteză - Viteza de comutare a fost îmbunătățită prin reducerea numărului de rezistențe interne. Acest lucru a dus la creșterea consumului de energie. Tensiunea de alimentare: 4,75 până la 5,25 V.

• 74Sxx: Schottky TTL - Tehnologia Schottky este utilizată pentru a îmbunătăți impedanța de intrare, viteza de comutare și consumul de energie (2 mW) în comparație cu tipurile 74Lxx și 74Hxx. Tensiunea de alimentare: 4,75 până la 5,25 V.

• 74LSxx: Schottky TTL de joasă putere - Aceleași ca și cele 74Sxx, dar cu rezistențe interne crescute pentru a îmbunătăți consumul de energie. Tensiunea de alimentare: 4,75 până la 5,25 V.

• 74ASxx: Advanced Schottky TTL - Proiectare îmbunătățită pe tipuri de Schottky 74Sxx optimizate pentru a crește viteza de comutare în detrimentul consumului de energie de aproximativ 22 mW. Tensiunea de alimentare: între 4,5 și 5,5 V.

• 74ALSxx: Schottky TTL cu putere redusă - Consum redus de energie de aproximativ 1 mW și viteză de comutare mai mare de 4 nS comparativ cu tipurile 74LSxx. Tensiunea de alimentare: între 4,5 și 5,5 V.

• 74HCxx: CMOS de mare viteză - Tehnologie și tranzistoare CMOS pentru a reduce consumul de energie mai mic de 1 μA cu intrări compatibile CMOS. Tensiunea de alimentare: între 4,5 și 5,5 V.

• 74HCTxx: CMOS de mare viteză - Tehnologie și tranzistoare CMOS pentru a reduce consumul de energie mai mic de 1 μA dar a crescut întârzierea de propagare de aproximativ 16 nS datorită intrărilor compatibile TTL. Tensiunea de alimentare: între 4,5 și 5,5 V.

Poartă logică digitală CMOS

Unul dintre principalele dezavantaje ale seriei poartă logică digitală TTL este că porțile logice se bazează pe tehnologia logicii cu tranzistor bipolar și deoarece tranzistoarele sunt dispozitive operate în curent, consumă cantități mari de energie dintr-o sursă fixă de +5 V.

De asemenea, porțile cu tranzistor bipolar TTL au o viteză de operare limitată la comutarea din starea "OFF" în starea "ON" și invers, numită "poarta" sau "întârzierea de propagare". Pentru a depăși aceste limitări s-au dezvoltat porți logice MOS complementare numite "CMOS" (Complementary Metal Oxide Semiconductor) care folosesc "Field Effect Transistors" sau FET-uri.

Deoarece aceste porți folosesc atât MOSFET-uri cu canal-P, cât și canal-N ca dispozitive de intrare, în condiții de repaus fără comutare, consumul de energie al porților CMOS este aproape zero (1 până la 2 μA), făcându-le ideale pentru utilizarea în circuite cu baterii cu consum redus de energie și cu viteze de comutare mai mari de 100 MHz pentru utilizare în circuite de sincronizare de înaltă frecvență și circuite computerizate.

Ca și în logica TTL, circuitele complementare MOS (CMOS) profită de faptul că ambele dispozitive cu canal N și canal P pot fi fabricate împreună pe același material substrat pentru a forma diferite funcții logice.

Unul dintre principalele dezavantaje ale gamei CMOS de IC, comparativ cu tipurile TTL echivalente, este faptul că acestea sunt ușor deteriorate de electricitatea statică. De asemenea, spre deosebire de porțile logice TTL care funcționează la tensiuni unice de + 5V atât pentru nivelul de intrare, cât și pentru nivelul de ieșire, porțile logice digitale CMOS funcționează pe o singură tensiune de alimentare între +3 și +18 volți.

Sub-familiile CMOS obișnuite includ:

• Seria 4000B: CMOS standard - Aceste dispozitive sunt familia originală CMOS buffer-at de porți logice introduse la începutul anilor 70 și funcționează de la o tensiune de alimentare de 3,0 până la 18V DC.

• Seria 74C: CMOS 5V - Aceste dispozitive sunt compatibile la pini cu dispozitivele TTL standard 5V, deoarece comutarea lor logică este implementată în CMOS, dar cu intrări compatibile-TTL. Acestea funcționează de la o tensiune de alimentare de 3,0 până la 18V DC.

Rețineți că porțile logice și dispozitivele CMOS sunt sensibile static, deci luați întotdeauna măsurile de precauție adecvate de lucru pe covorașe antistatice sau banc de lucru legat la pământ, purtați o brățară antistatică și nu scoateți o parte din ambalajul antistatic până când este necesar.

În următorul tutorial despre Digital Logic Gates, ne vom uita la funcția poartă logică digitală AND utilizată atât în ​​circuitele logice TTL și CMOS, cât și în tabelele de adevăr și definirea ei în algebra Booleană.