Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 5, Hoofdstuk 4, Paragraaf 4,5 Blz 127-130

Digitale Schakelingen kunnen gemaakt worden uit een klein aantal eenvoudige schakelingen die op vele manieren kunnen worden gecombineerd. Hierbij gebruikt men spanningen die afhankelijk zijn van de techniek. We onderscheiden een logische ”0” en een logische ”1”. Een spanning tussen deze niveaus mag niet voorkomen. Logische poorten worden veel gebruikt en ook in IC´s als Logische Schakelingen.

Logische Schakelingen in IC´s

De verschillende Poorten en Poortschakelingen zijn te verkrijgen in IC-vorm. Een veel gebruikte IC-vorm is de Dual In Line (Package)-vorm, meestal afgekort door DIL of DIP.

Dual In Line Package met Logische Schakelingen

De gebruikte technieken om de IC’s te vervaardigen zijn reeds in de inleiding genoemd. We zullen ons hier beperken tot:

  • ttl en TTL-LS (LS= Low power Schottky voor een lager opgenomen vermogen dan de gewone TTL);
  • CMOS.

Bij deze technieken zijn er verschillende series ontwikkeld die werken op verschillende spanningsniveaus. De voedingsspanningen waar IC’s op werken zijn:

  • TTL = 5 Volt;
  • CMOS 4000 en 74C-series = 3-15 Volt;
  • CMOS HC-serie = 3-6 Volt;
  • CMOS HCT-serie (is vervangend voor TTL-IC’s) = 5 volt (idem als TTL dus).

Positieve en Negatieve Logica

Naast het werken van de verschillende IC-technologie op verschillende spanningswaarden kennen we ook de begrippen Positieve en negatieve logica waarmee aangegeven wordt dat een logische één (‘1’) en een logische nul (‘0’) volgens bepaalde afspraken aan bepaalde spanningswaarden dienen te voldoen.

Positieve Logica in Logische Schakelingen

Bij positieve logica is de hoge spanning de logische ‘1’ en de lage spanning de logische ‘0’. We noemen de schakelingen die op positieve logica werken ook wel hoog-actief. Er zijn verschillende grenswaarden waartussen de ingangs- en uitgangsspanningen mogen variëren voor het juiste niveau. Deze grenswaarden zijn in onderstaande tabel vermeld.

Tabel met verschillende spanningen in logische schakelingen

Uit de tabel blijkt dat er een gebied is (voor TTL bij de ingang van 0,8 tot 2 volt) waar een ingangsspanning niet mag zijn. Dit gebied noemen we een storingsmarge of een verboden gebied. Als een spanning in dat gebied aangesloten wordt, dan is niet te zeggen wat de uitgang wordt. Dit zou dus ongewenst schakelgedrag kunnen veroorzaken.

Bovenstaande is van toepassing op positieve spanningen. Er kan echter ook gebruik worden gemaakt van negatieve spanningen. In dat geval blijft het toch zo dat de hoogste waarde het ”high level” is en de laagste waarde het ”low level”. Bijvoorbeeld: 0 volt = ‘1’ en -5 volt = ‘0’.

Negatieve Logica in Logische Schakelingen

Als een logische ‘1’ een lager spanningsniveau heeft dan een logische ‘0’, dan is er sprake van negatieve logica. Een schakeling die volgens dit principe werkt noemen we laag-actief. In sommige vliegtuigsystemen wordt zowel positieve als negatieve logica gebruikt.

In het geval er gebruikgemaakt is van positieve logica, dan wordt dit verder niet vermeld op schema’s, omdat dat de meest gebruikte vorm is. Bij negatieve logica wordt er apart door middel van een ‘note’ melding gemaakt.

Dit is te zien in onderstaande afbeelding en meestal herkenbaar aan het feit dat de massa door middel van inputs verbonden kan worden met de ingang van een poort. Als hier niet op gelet wordt, leidt dat ongetwijfeld tot verwarring.

Negatieve logica in een schema

Vertragingstijd van Poorten

Omdat een belangrijke factor in de (digitale) elektronica de reactiesnelheid is, speelt dit fenomeen vanzelfsprekend ook bij poortschakelingen in de digitale techniek. De tijd dit nodig is om een uitgang te laten reageren op een ingangsverandering noemen we de vertragingstijd (propagation Delay Time – PDL).

Deze vertragingstijd is weer afhankelijk van de gebruikte technologie. Als in digitale schakelingen zeer snel schakelen gewenst is, dan kiest men meestal voor de ECL-serie (emitter-Coupled-Logic). MOS-poorten zijn 10 maal trager dan TTL-poorten en 100 maal trager dan ECL-poorten die ongeveer 2 nanoseconde (ns) vertragingstijd hebben.

MOS-poorten zijn traag maar verbruiken nagenoeg geen vermogen en kunnen op grote schaal worden geïntegreerd. Indien in digitale circuits veel poorten in serie zijn geschakeld, moet rekening worden gehouden met de daarbij behorende totale vertragingstijd.

Er is nog verschil in propagatietijd (tp) tussen het signaal dat aan de uitgang van ‘1’ naar ‘0’ verandert (Tplh) en wanneer de uitgang van ‘0” naar ‘1’ verandert (Tphl). Door interne eigenschappen van het circuit zijn Tphl en Tplh verschillend. Vertragingstijd wordt gemeten tussen de 50% waarden van de opgaande en neergaande flanken van de in- en uitgangssignalen.

In onderstaande afbeelding is de propagatietijd van een inverter te zien in beide situaties. Toelichting op Tplh en Tphl: LH staat voor de verandering van Low naar High en HL staat voor verandering van High naar Low.

Meer weten over Logische Poorten?

Kijk dan eens naar de volgende artikelen:

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 5, Hoofdstuk 4, Paragraaf 4,5 Blz 127-130

Geef een reactie

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.