Tranzistori I Logička Kola 206m25

Predmet: Sredstva za prenos i obradu podataka

SEMINARSKI RAD

Tema: Tranzistori i logička kola

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

2

SADRŽAJ

UVOD…………………………………………………………………………………………………...3 1.TRANZISTOR……………………………………………………………………………………...…4 1.1.Razvoj tranzistora……………………………………………………………………………..….4 1.2.Konstrukcija tranzistora………………………………………………………………………..…4 1.3.Princip rada tranzistora………………………………………………………………………...…4 1.4.Ograničenja u radu tranzistora……………………………………………………………………6 1.5.Oznake tranzistora……………………………………………………………………………...…7 1.6.Proizvodnja tranzistora…………………………………………………………………………7 1.7.Značaj tranzistora………………………………………………………………………….……8 1.8.Tranzistor kao prekidač……………………………………………………………………..…8 2.LOGIČKA KOLA……………………………………………………………….……………………9 2.1.Opšte karakteristike logičkih kola…………………………………………...……………………9 2.2.Podjela logičkih kola………………………………………………………………….………10 2.3.Osnovna logička kola…………………………………………………………………………10 2.3.1.Logičko I (AND) kolo……………………………………………………………….…11 2.3.2.Logičko ILI (OR) kolo…………………………………………………………………11 2.3.3.Logičko NE (NOT) – invertor…………………………………………………………11 2.4.Izvedena logička kola…………………………………………………………………………...12 2.4.1.NI (NAND) ……………………………………………………………………………..12 2.4.2.NILI (NOR) …………………………………………………………………………….12 2.4.3.XILI (XOR) …………………………………………………………………………….12 2.4.4.XNILI(XNOR) ………………………………………………………………………….13 2.5.Logička kola sa diodama……………………………………………………………………..13 2.6.Logički invertor sa tranzistorom………………………………………………………………14 2.7.DTL i TTL kola…………………………………………………………………………….…15 2.8.ECL logička kola………………………………………………………………………………16

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola 2.9.I2L logička kola……………………………………………………………………………….17 2.10.MOS logička kola…………………………………………………………………………….18 LITERATURA………………………………………………………………………………………21

3

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

4

Tranzistor 1je poluprovodnički element koji se koristi za pojačanje (najznačajnija primena), prekidanje struje, stabilizaciju napona, modulaciju signala i mnoge druge operacije.

Naziv tranzistora je nastao skraćivanjem engleskih reči TRANsfer reSISTOR, koje u prevodu znače prenosni otpornik. Ima tri priključka: emitor (E), bazu (B) i kolektor (C). U početku je nazivan i kristalna trioda, po ekivalentnoj elektronskoj cevi po imenu trioda.

U savremenoj elektronici u većini su takva kola kojih računamo samo sa dve vrednosti signala (napona). U užem smislu to su logička kola, a sva takva kola čine familiju digitalnih kola. U principu postoji i prelaz između navedene dve krajnje vrednosti signala ali to redovno traje kratko i sa aspekta primene nema ulogu. Karakteristike elemenata i Kirchoff – ove jednačine ostaju u važnosti ali, s obzirom na binarno ponašanje (smatra se da signal može da uzmima samo dve vrednosti), nema potrebe za tačnim rešavanjem kola u običajenom smisli. Umesto toga interesantno je definisati samo logičke veze između ulaznih i izlaznih signala.

1

Tranzistor je istorijski gledano prva poluprovodnička komponenta koja primenom kontrolnog signala u pomoćnom strujnom kolu može postepeno ili skovito da menja struju u glavnom strujnom kolu.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

5

1.TRANZISTOR

Tranzistor je poluprovodnički element koji se koristi za pojačanje (najznačajnija primena), prekidanje struje, stabilizaciju napona, modulaciju signala i mnoge druge operacije. Naziv tranzistora je nastao skraćivanjem engleskih reči TRANsfer reSISTOR, koje u prevodu znače prenosni otpornik. U početku je nazivan i kristalna trioda, po ekivalentnoj elektronskoj cevi po imenu trioda.Ima tri priključka: emitor (E), bazu (B) i kolektor (C).

1.1.Razvoj tranzistora

Prvi tranzistor su napravili Vilijam Šokli, Džon Bardin i Valter Bretejn 22. decembra 1947. godine u Belovim laboratorijama. Šokli, Bardin i Bretejn su dobili Nobelovu nagradu za svoj izum "za njihova istraživanja poluprovodnika i otkriće tranzistorskog efekta". Pre pronalaska bipolarnog tranzistora koristile su se elektronske cevi koje su imale bitne nedostatke (cena, potrošnja energije, dimenzije...) ali i prednosti (cevi se i danas ponekad koriste za posebne namene zbog manje osetljivosti na nuklearno zračenje, velike snage, i kao elementi u audiofilskim analognim pojačalima...). Najbliži ekvivalent tranzistoru je bila elektronska cev - trioda.

1.2.Konstrukcija tranzistora

Napravljen je od germanijuma (Ge), silicijuma (Si), ili nekog drugog poluprovodničkog materijala. Poluprovodnički materijali se obično ponašaju kao izolatori, ali ako se dopiraju primesama potpuno menjaju osobine. Ako se dopiraju (zagade) nekim od hemijskih elemenata koji pripadaju donorima pojavljuje se višak pozitivnih P naelektrisanja, a ako se dopiraju akceptorima pojavljuje se višak negativnih N nosilaca naelektrisanja. Takav materijal počinje da se ponaša kao provodnik. Kada se u istom materijalu napravi da postoje i N i P zone, pojavljuje se novi efekat, poluprovodljivost. Tranzistor se sastoji iz tri sloja P i N poluprovodnika sa kojih sa izvode kontakti: emitora (E), baze (B) i kolektora (C). Razlikujemo dva tipa bipolarnih tranzistora PNP i NPN označenih po redosledu slojeva. Tranzistori se prave kao diskretne (zasebne) komponente ili u okviru integrisanih kola (čipova). Za integraciju je ključna pojava MOSFET (tranzistor sa efektom polja) tranzistora koji su zbog svojih malih dimenzija i specifične tehnologije izrade gotovo potisnuli bipolarne tranzistore. Danas se svaki vlasnik računara može pohvaliti da ima milione MOSFET tranzistora u procesoru.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

6

1.3.Princip rada tranzistora

Osnovna funkcija tranzistora je da kontroliše protok struje. Tranzistor funkcioniše tako što sa malom strujom u kolu emiter-baza možemo upravljati znatno jačom strujom u kolu emiter-kolektor. Ova pojava naziva se tranzistorski efekat. Najbolja analogija koja objašnjava tranzistor je slavina za vodu. Ventil na vodenoj slavini kontroliše protok vode. Kod tranzistora se taj ventil naziva baza (base) ili kapija (gate) kod FET-ova (Field Effect Transistor). Za pravilan rad tranzistora potrebno je polarizovati tranzistor (dovesti mu napajanje) kao i s obzirom na njegovu preosetljivost na promenu temperature, stabilizaciju radne tačke u odnosu na kolektor i emiter. Tranzistor ima tri priključka: emitor (E), bazu (B) i kolektor (C) (slika 1a). Ako se sagledava unutrašnja struktura tranzistora, uočava se da sadrži dva PN – spoja (slika 1b). Proizvode se najčešće u planarnoj tehnici. Presek tranzistora u planarnoj tehnici je prikazan na slici 1c. Princip rada tranzistora biće objašnjen na uvećanom modelu, koji je prikazan na slici 2a. Prva oblast tranzistora je emitor, koji je poluprovodnik N – tipa i obično ima veliku koncentraciju primesa. Druga oblast je baza, koja je poluprovodnik P – tipa i kod koje je koncentracija primesa znatno manja nego kod emitora; oblast baze je takođe znatno uža nego kod emitora i kolektora. Treća oblast je kolektor, koja je poluprovodnik N – tipa; koncentracija primesa u njemu je manja nego u emitoru. Između emitora i baze je jedan PN – spoj, dok je drugi između baze i kolektora. PN – spoj emitor – baza je direktno polarisan izvorom EBE, a PN – spoj baza – kolektor je inverzno polarisan izvorom ECE.

Slika 1. a) Spoljni oblici tranzistora

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

7

Slika 1. b) Unutrašnja struktura tranzustora; c) njegov presek u planarnoj tehnici.

U emitoru su elektroni glavni nosioci elktriciteta, a u bazi su to šupljine. Kada se PN – spoj između emitora i baze propusno polariše, kroz njega protiče struja. Elektroni iz emitora se kreću ka bazi, a đupljine iz baze ka emitoru, pa se struja sastoji od dvije komponente: prvu čine šupljine koje iz baze prelaze u emitor, adrugu elektroni koji iz emitora prelaze u bazu. Šupljine koje iz baze prelaze u emitorrekombinuju se sa elektronima u emitoru. Zbog male koncentracije primesa u području baze, u njoj postoji malo slobodnih šupljina; zbog toga malo ih prelazi u područje emitora, pa je ova komponenta struje mala. Drugu komponentu struje čine elektroni kojih u emitoru ima veoma mnogo i koji prelaze u bazu. Manji deo elektrona ubačenih iz emitora se rekombinuje sa šupljinama u području baze, jer je područje baze veoma usko, a veći deo nastavlja da se difuzno kreće ka drugom PN – spoj. Drugi izvor ECE stvara električno polje, koje je usmereno od kolektora ka bazi. Ovo polje zahvata elektrone iz baze i usmerava ih ka kolektoru (sakupljaču). Elektroni nastavljaju da se kreću ka mentalnom spoljnom priključku kolektora i zatim se kreću provodnikom ka izvoru ECE. Na ovaj način su elektroni, koji su krenuli iz emitora „prevareni“ i usmereni ka kolektoru. Na slici 2a vidi se da veći deo elektrona, koji su krenuli iz emitora, dolazi u kolektor, a manji deo se rekombinuje u bazi. Da bi se ovo postiglo, potrebno je da je koncentracija primesa u bazi relativno mala i da je širina baze znatno manja od dužine puta na kojem se normalno ostvari rekombinacija. U ovakvim uslovima elektroni će se retko susretati šupljine na svom putu pa većina će proći kroz područje baze. Elektroni se ne rekombinuju u području kolektora, nego nastavljaju put ka mentalnom priključku kolektora, zatim se kreću kroz provodnik i izvor napajanja i ulaze ponovo u emitor.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

8

Slika 2. Komponente struje kroz NPN - tranzistor

1.4.Ograničenja u radu tranzistora

Mora se ograničiti napon koji se priključuje između kolektora i emitora tranzistora. Maksimalna vrednost ovog napona se može naći u podacima o tranzistoru koje daje proizvođač. Ova vrednost napona je nacrtana na slici 3 i obeležena sa UCEM.

Slika 3. Oblast dozvoljene upotrebe tranzistora

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

9

Isto tako, proizvođač daje i maksimalnu vrednost struje ICM koja može da teče kroz tranzistor. Ova vrednost struje je takođe nacrtana na izlaznim karakteristikama tranzistora na slici i obeležena sa ICM. Kada se pomnoži napon između kolektora i emitora tranzistora UCE i struja kroz njega IC dobije se snaga na tranzistoru PC.

PC = UCE · IC

Snaga na tranzistoru je takođe ograničena i njenu maksimalnu vrednost PCM takođe daje proizvođač, uz odgovarajuće hlađenje, koje će kasnije biti detaljno obrađeno. Ukoliko snaga pređe maksimalnu vrednost PCM, uništi se tranzistor zbog pregrevanja. Zbog toga je korisno znati kolika struja može da se dozvoli kroz tranzistor za neki napon na njemu. Iz jednačine dobija se:

Ako se u jednačini zameni PC sa PCM, dobija se dozvoljena struja kroz tranzistor pri maksimalnoj dozvoljenoj snazi PCM:

Na slici 3 je nacrtana hiberbola snage, koja takođe određuje granice upotrebe tranzistora. Šrafirani dio predstavlja oblast u kojoj se smije upotrebljavati tranzistor. Napon između kolektora i emitora može da bude između 0 i UCEM. Struja može da bude od 0 do 1 ICM, a snaga od 0 do PCM. Ukoliko se izađe izvan šrafirane oblasti, može da dođe do trenutnog uništenja tranzistora.

1.5.Oznake tranzistora

Sve dosadašnje karakteristike su se odnosile na tranzistore malih snaga (do 300 mW). U praksi postoje i tranzistori većih snaga, zatim visokofrekvencijski tranzistori itd. Tranzistori različitih vrsta

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

10

imaju i različite oznake. Oznake su obično američkog ili evropskog porekla, a mnoge zemlje imaju svoje posebne oznake. Američke oznake za tranzistore obično počinju sa 2N (na primer 2N3055) i teško je odmah razlikovati niskofrekvencijske od visokovrekvencijskih, velike snage od malih snaga itd. Evropske oznake su znatno pogodnije. Prvo slovo označava vrstu poluprovodnika: A označava germanijum, a B silicijum. Na primjer, AC342 je germanijumski, a BC107 je silicijumski tranzistor. Drugo slovo označava namenu tranzistora: C označava niskofrekvencijski, D niskofrekvencijski snažni tranzistor, a F visokofrekvencijski. Na primjer, BC107 je niskofrekvencijski silicijumski tranzistor za male snage (300 mW), BD675 je niskofrekvencijski silicijumski tranzistor velike snage (40 W), BF199 je visokofrekvencijski silicijumski tranzistor koji može uspešno da se primenjuje do učestalosti 550 MHz. Ako je drugo slovo U, tranzistor je za visoki napon (na primjer kod tranzistora BU208 je UCEO = 700V, dok mu je napon UCES = 1500V). Ako je drugo slovo S, tada je to prekidački tranzistor (na primjer BSY54). Treće slovo ne postoji uvek, ali će neki slučajevi navedeni. Ako je treće slovo R (na primjer BFR90), to je tranzistor za primenu na vrlo visokim učestalostima (na primjer do 5 Ghz). Ako je treće slovo Q, to je mikrotalasni tranzistor (na primjer BCX57). Ponekad treće slovo može da označi prekidački tranzistor (na primjer BCX57). Može da se desi da kod različitih proizvođača značenje trećeg slova bude različito, tako da ono nije naročito sigurna oznaka. Japanske oznake počinju sa 2S (na primjer, 2SA1302), 2SB, 2SC, 2SD, itd. 2SA i 2SB su PNP, a 2SC i 2SD su NPN tranzistori. Proizvođači štampaju, uglavnom, dve vrste kataloga sa podacima o tranzistorima. U prvoj vrsti se daju podaci u obliku tabele za određene uslove (UCE, ICE, temperaturu okoline, itd.). Ovi katalozi služe za brzo odabiranje tranzistora, ali nisu pogodni za detaljan proračun. U drugoj vrsti se daju kompletni dijagrami i tabelarni podaci i služe za detaljnu analizu osobina tranzistora i za proračun. Neki od ovih kataloga se dobijaju besplatno od proizvođača, dok se neki prodaju kao i ostale knjige. Poznati su katalozi proizvođača tranzistora: Valvo, ITT, Philips, Siemens itd., a kod nas Elektronske industrije.

1.6.Proizvodnja tranzistora

Tranzistori se najčešće proizvode u planiranoj ili epitaksijalnoj tehnici. Proizvodnja tranzistora u planarnoj tehnici je slična proizvodnji dioda, samo ima jednu difuziju više; prikazana je na slici 4.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

11

Slika 4. Faze proizvodnje tranzistora: a) podloga N – tipa; b) difuzija P – primesa; c) difuzija N – primesa.

Na slici 4a je prikazana podloga N –tipa. U podlogu N tipa se difuzijom ubacuju primese P – tipa, ali u količini koja je potrebna da nadvlada primese N –tipa, kao na slici 4b. Na ovaj način se dobije PN –spoj baza – kolektor. Sada se ponovo u sredinu područja sa P – primesama difunduje velika količina N – primesa, pa se dobije N+ oblast, koja čini emitor, kao na slici 4c, takođe se na N – podlozi pravi N+ oblast za metalni priključak kolektora. U epitaksijalnoj tehnici se tranzistori prave slično diodama, ali takođe sa jednom difunzijom više. Isto važi i za meza tehnologiju.

1.7.Značaj tranzistora

Tranzistor se smatra za jedan od najvećih izuma u istoriji čovečanstva. Tu se takođe nalaze i štampa, kompas, časovnik, optičko sočivo, parna mašina, motor sa unutrašnjim sagorevanjem, telegraf, telefon i mikroprocesor. On je sastavni deo skoro svih današnjih električnih uređaja gde igra ključnu ulogu aktivne komponente. Danas se tranzistori proizvode u ogromnim količinama u visoko automatizovanim procesima po niskim cenama. Niska cena tranzistora i univerzalna primenljivost ga čini skoro idealnim gradivnim elementom svakog elektronskog kola.

1.8.Tranzistor kao prekidač

Slika 5 prikazuje osnovni rad tranzistora kao prekidačkog uređaja. U prvom delu (a) prikazanje tranzistor u stanju ne vođenja zato što spoj baza-emiter nije direktno polarisan.U tom slučaju , gledajući idealno, nema spoja između kolektora i emitera ,što je ekvivalentno otvorenom prekidaču. U delu (b) tranzistorje u vodljivom stanju zato što su spojevi baza-emiter i baza-kolektor direktno polarisani i struja bazeje dovoljno velika da izazove da struju kolektora dostigne svoju vrednost vodjenja. U ovom slučaju je, idealno. Kratka veza između kolektora i emitera, što je ekvivalentno zatvorenom prekidaču. U stvari, pad napona je nekoliko desetih volta kojije predstavljen naponom vođenja VCE.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

12

Slika 5. Stanje zakočenosti tranzistora

Kao što je pomenuto ranije, tranzistor je u stanju zakočenosti kada spoj baza - emiter ne propusno polariziran. Sve struje su jednake nuli, a napon VCE je jednak naponu VCC. Stanje vođenja tranzistora. Kao što sam već rekla, kada je spoj baza-emitter direktno polarisan i kada postoji dovoljno velika stuja baze da proizvede maksimalnu stuju kolektora, tranzistor je u stanju zasićenja.

2. LOGIČKA KOLA U savremenoj elektronici u većini su takva kola kojih računamo samo sa dve vrednosti signala (napona). U užem smislu to su logička kola, a sva takva kola čine familiju digitalnih kola. U principu postoji i prelaz između navedene dve krajnje vrednosti signala ali to redovno traje kratko i sa aspekta primene nema ulogu. Karakteristike elemenata i Kirchoff – ove jednačine ostaju u važnosti ali, s obzirom na binarno ponašanje (smatra se da signal može da uzmima samo dve vrednosti), nema potrebe za tačnim rešavanjem kola u običajenom smisli. Umesto toga interesantno je definisati samo logičke veze između ulaznih i izlaznih signala.

2.1.Opšte karakteristike logičkih kola

Bez obzira na veliku raznovrsnost logičkih kola ( u širem smislu digitalnih kola), postoje takve osnovne performanse koje se mogu definisati za bilo koje kolo. Takve opšte pefomanse su: logički nivoi, margine smetnji, opteetljivosti izlaza, brzina i potrošnja. Logički nivoi se posebno definišu za ulaze i za izlaze. U oba slučaja postoji i nizak i visok logički nivo. Visoki logički nivo (VOH) je ona vrednost napona koja se može meiti na izlazu logičkog kola pi njegovom visokom stanju. Prilikom primene posebnu pažnju treba obratiti na minimalnu vrednost ovog napona (VOHmin) jer peniska vrednost visokog logičkog nivoa može da prouzrokkuje pogešno reagovanje narednog logičkog kola čiji ulaz je spojen na izlaz kola u kome je reč. Nizak logički nivo (VOL) je ona vrednost napona koja se može meriti na izlazu logičkog kola pi njegovom niskom stanju. Tu problemi mogu da nastanu zbog maksimalne vrednosti (V OLmax) ovog logičkog nivoa. I na ulazima logičkih kola se mogu definisati nizak i visok logički nivo (V IL odnosno VIH). Pri niskom logičkom nivou na ulazu bitna je maksimalna vrednost V Ilmax ispod koje razmatrano logičko kolo će u svakom slučaju smatrati da je dovedena logička nula. Suprotno od ovoga, pri visokom logičkom nivou na ulazu bitno je da ulazni napon ne padne ispod V Ihmin. Odnos navedenih logičkih nivoa je simbolički predstavljen na slici . Na osnovu te slike definišemo i magine smetnji, posebno za nizak i posebno za visoki logički nivo: NM (low) = VLImax - VOlmax NM (high) = VOhmin – VIhmin Margine smetnji su najveće promene napona na izlazu predhodnoh stepena, koje jos ne izazivaju pogrešno detekciju logičkog nivoa kod sledećeg stepena.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

13

Slika 6. Međusobni odnosi ulaznih i izlaznih logičkih nivoa i margina smetnji Opteretljivost izlaza logičkog kola mogla bi se definisati pomoću konkretnih otpornosti ili stanja ali u praksi se radije navode relativne vednosti. Te relativne vvrednosti teba da definišu, koliko ulaza od sličnih logičkih kola može da probuđuje izlaz razmatranog logičkog kola, tako da ne dođe do logičke greške. U nekim slučajeevima, pošto se pobuđuju delimično kapacitivni potrošači, opteretljivost opada na visokim frekvencijama. Takođe treba uzeti u obzir da opteretljivost nije jednaka pri niskom i visokom logičkom nivou. Za ispravan ad naravno teba uzimati manju vrednost. Brzina logičkih kola, odnosno kašnjenja koja oganičavaju brzinu su predstavljena na slici . Smatra se da je na ulazu idealni pravougaoni signal a na izlazu se dobija signal sa konačnim vremenom porasta i opadanja i sa odgovarajućim kašnjenjima prednje ivice i zadnje ivice. U primeni su sledeće definicije: 1. Kašnjenje silazne ivice: tdHL = t1 – t0 2. Vreme opadanja: tf = t2 – t1 3. Kašnjenje uzlazne ivice: tdHL = t4 – t3 4. Vreme porasta: tr = t5 – t4 5. Vreme propagacije silazne ivice: tpLH = tdLH + ½ tf 6. Vreme propagacije ulazne ivice: tpLH = tdLH + ½ tr.

Slika 7. Kašnjenja logičkih kola U toku rada logička kola troše izvesnu snagu iz napojne jedinice. Ta snaga se pretvara u toplotu. Primenjena snaga se sastoji iz statičkog dela i dinamičkog dela. Statički gubici su prisutni pri

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

14

zadržavanju logičkog kola na pojedinim logičkim nivoima, dok dinamički gubici potiču iz prekidačkog rada tranzistora i značajni su na višim učestalostima. Korišćena snaga (potrošnja) je konstrukcijski povezana sa brzinom kola: brzina se redovno može povećati samo uz povećanje potrošnje. Tako se dešava da kola najveće brzine i najveće složenosti moaju se hladiti forsirano.

2.2.Podjela logičkih kola Logička kola su sklopovi koji su u mogućnosti izvršavati osnovne logičke operacije: I (AND), ILI (OR) ili NE (NOT), ili izvedene logičke operacije kao što su: NI (NAND), NILI (NOR), Ekskluzivno ILI-XILI (XOR) ili Ekskluzivno NILI - XNILI (XNOR). U zavisnosti od operacije koju izvršavaju dijele se na osnovna logička i izvedena logička kola. U zavisnosti od tehnologije mogu biti: mehanička, elektromehanička, elektronska, optička, kvantna biološka, hemijska itd. Osnovna su gradivna jedinica komponenti računara kao što su aritmetičko logička jedinica , RAM memorija, keš memorija itd.

2.3. Osnovna logička kola Postoji nekoliko osnovnih logičkih kola sa kojima se može realizovati bilo koja digitalna mreža,odnosno bilo koje složeno digitalno kolo.

2.3.1.Logičko I (AND) kolo

Logičko I kolo obavlja operaciju logičko I nad dva ulazna signala, A i B.

Ulaz 1 Ulaz 2 I (AND) A

B

A*B

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Slika 8. I (AND) logičko kolo Tabela 1. I (AND) logičko kolo Funkcija koju obavlja logičko I kolo se može opisati kao: „Ako je A i B oboje jednako 1, onda je C jedinica“. Ovo se može vidjeti posmatranjem priložene tabele.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

15

2.3.2.Logičko ILI (OR) kolo Sledeće kolo koje ćemo opisati jeste logičko ILI kolo. Njegova osnovna funkcija se može opisati sa: „Ako je A jednako 1 ILI je B jednako 1 (ili su oba ulaza jedinica), onda na izlazu C imamo jedinicu“. Ovo je prikazano u sledećoj tabeli. Ulaz 1 Ulaz 2 ILI (OR) A

B

Q

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

Slika 9. ILI (OR) logičko kolo

Tabela 2. ILI (OR) logičko kolo

2.3.3.Logičko NE (NOT) – invertor Najjednostavnije logičko kolo se naziva invertor, ili logičko NE. Ono na izlazu daje negianu vrednost ulazne veličine. Funkcija ovog kola opisana je sledećom tabelom.

Ulaz 1 NE (NOT) A

Q

0

1

1

0

Slika 10. NE (NOT) Logičko kolo Tabela 3. NE (NOT) logičko kolo

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

16

Iz tabele se vidi da ako na ulaz A dovedemo 0, na izlazu B dobijamo 1. S druge strane, ako na ulaz A dovedemo 1, na izlazu B dobićemo vrednost 0. Opisana tri logička kola pedstavljaju osnovna logička kola sa kojima se može realizovati digitalna mreža bilo koje složenosti. Međutim, u paksi, znatno češće se koriste izvedena logička kola tipa NI (NAND) i NILI (NOR). Ova dva kola su kombinacija I, odnosno ILI logičkog kola, iza kojeg sledi invetor. Ova dva kola su kombinacija I, odnosno ILI logičkog kola, iza kojeg slijedi invertor. Ova dva kola (NI i NILI) takođe su dovoljna za realizaciju bilo kakve digitalne mreže, poizvoljne složenosti. Sada cu dati opis ova dva kola sa logičkim tabelama.

2.4.Izvedena logička kola

2.4.1.NI (NAND)

Ulaz 1 Ulaz 2 NI (NAND) A

B

Q

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Slika 11.NI (NAND) logičko kolo

Tabela 4. NI (NAND) logičko kolo

2.4.2.NILI (NOR)

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

17

Ulaz 1 Ulaz 2 NILI (NOR) A

B

Q

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

Slika 12. NILI (NOR) Logičko kolo

Tabela 5. NILI (NOR) logičko kolo

2.4.3.XILI (XOR)

Ulaz 1 Ulaz 2 XILI (XOR) A

B

Q

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Slika 13. XILI (XOR) logičko kolo Tabela 6. XILI (XOR) logičko kolo

2.4.4.XNILI(XNOR)

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

18

Ulaz 1 Ulaz 2 XNILI (XNOR) A

B

Q

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Slika 14. XNILI (XNOR) Logičko kolo Tabela 7. XNILI (XNOR) logičko kolo

2.5.Logička kola sa diodama Najprostija logička kola (logičke kapije) se mogu konstruisati povezivanjem dioda, otpornika i jedinica za napajanje. Na slici 15 je prikazana šema dvoulaznog diodnog I kola. Ulazne promenljive su označene sa A i B, a izlazna promenljiva sa Y. Povezivanjem bilo kog (ili oba) ulaza na masu, izlaz će biti iznad 0V za vrednost pada napona na diodi, što će se ovde tumačiti kao nizak lčogički nivo (logička nula). Povezivanjem oba ulaza na napon napajanja V CC , kroz diode nema struje i na izlazu se može meriti napon VCC, što će se tumačiti kao visoki logički nivo (logička jedinica).

Slika 15. Dvoulazno diodano I kolo Kombinaciona tabela koja sadrži sve moguće varijacije ulaznih promenljivih je prikazana tablela. Prema konvencijama koje se koriste u Boole-ovoj algebri, za ovo kolo se može napisati jednačina: Y = AB. A

B

Y

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola 0 0 1 1

0 1 0 1

19

0 0 0 1

Tabela 8. Kombinaciona tabela za I kolo Na sličan način se može konstuisati diodno ILI kolo (slika 16). Tu će se visoki logički nivo na izlazu dobiti ako bilo koji ulaz ili oba ulaza dignemo na visoki nivo (V CC). Vezivanjem oba ulaza na masu, na izlazu se može meriti OV što se tumači kao logička nula. Pripadajuća kombinaciona tabela je data na slici 16, a Boole-ova jednačina glasi: Y = A + B

Slika 16. Dvoulazno diodno ILI kolo

A

B

Y

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 1

Tabela 9. Kombinaciona tabela za ILI kolo Treba napomenuti da su navedena diodna logička kola od ograničene koristi. Pre svega, nisu ispunjeni uslovi u vezi ulaznih i izlaznih logičkih nivoa dati na slici. Dolazi do daljeg pomeranja logičkih nivoa ako, radi realizacije složenijih logičkih funkcija, međusobno povežemo ovakva logička kola.

2.6.Logički invertor sa tranzistorom Veza bipolanog tranzistora prikazana na slici ostvaruje logičku NE funkciju. Oblik penosne karakteistike V0 = f (V1) je prikazan na slici. Promenom vrednosti otpornosti moguća su odgovarajuća podešavanja na karakteristici.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

20

Slika 17. Logički invertor sa bipolarnim tranzistorima

Slika 18. Prenosna karakteristika logičkog invertora Osobina logičkog invertora je da tranzistora ne provodi pri niskim vrednostima ulaznog napona, u takvom slučaju izlazni logički nivo se nalazi u blizini napona napajanja (V CC). Logička nula na izlazu će se dobiti dovođenjem tranzistora u oblast zasićenja. Preduslov za to je prisustvo ulaznog napona koji odgovara logičkoj jedinici: na taj način će se preko otponika R 1 obezbediti potrebna bazna struja tranzistor. Pri pomeni stanja između zakočenja i zasićenja, tranzistor prolazi i kroz aktivnu (pojačavačku) oblast ali se taj segment ne koristi kod logičkog invertora. Prikazani logički invertor se može smatrati za pravo logičko kolo pošto daje stabilne logičke nivoe i ima odgovarajuće margine smetnji. Mogu se pojaviti problemi oko brzine ada pošto zavisno od nivoa zasićenja, isključenje tranzistora može da traje relativno dugo.

2.7.DTL i TTL kola Složenija logička kola možemo izgraditi kombinacijom kola iz tačaka i (DTL – Diode Transisto Logic sklopovi) ili čisto u tranzistorskoj tehnici (TTL – Transistor Transistor Logic sklopovi). Slika 19 prikazuje DTL NL kolo zajedno sa svojom kombinacionom tabelom. Komponente D 1, D2, R1 ostvauju logičku I funkciju, na njih se nadovezuje tranzistorski invetor. Diode D 3 i D4 su potrebne radi podešavanja ulaznih logičkih nivoa. Bez njih bilo bi nesigurno zakočenje tranzistora odnosno ne bi se mogla obezbediti odgovarajuća margina smetnji pri niskom logičkom nivou na ulazu.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

21

Slika 19. Ni kolo u DTL tehnici sa svojom kombinacionom tabelom Na slici 20 je prikazano TTL NI kolo. Izlazni stepen je ešen na sličan način kao kod DTL kola, s tim da je potreban jedan dodatni tranzistor (Q2) za pojačanje struje. U ulaznom stepenu ulogu dioda igra jedan specijalan višeemitorski tranzistor (Q1). Ako se na bilo kom ulazu pojavi nizak logički nivo, tranzistor Q 1 će aditi na ivici aktivnog režima pošto dobija baznu struju iz V CC-a preko otpornika R1 ali mu je kolektorska struja pibližno nulte vrednosti. U tom slučaju tranzistori Q2 i Q3 su zakočeni i na izlazu je visok logički nivo. Dovođenjem visokog logičkog nivoa na sve ulaze, tranzistor Q 1 prelazi u inverzni aktivni režim (emitor na višem potencijalu od kolektora), daje baznu struju za tranzistor Q 2 koji onda pobuđuje tranzisto Q3 i na izlazu se uspostavi nizak logički nivo.

Slika 20. TTL NI kolo Uz pomoć sličnih tranzistorskih kola mogu se rešeiti i druge i složenije logičke funkcije. Familija TTL kola je bila prva familija logičkih kola koja je proizvedena u integrisanoj tehnici i to u

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

22

velikim količinama i sa puno azličitih logičkih funkcija. Dugo godina su činili osnovnu digitalne elektronike. Pvobitne varijante TTL kola su do danas već zastarele ali novije vrednosti su i dan danas konkurentne. Zavisno od podfamilije, potrošnja i brzina im je osrednja ili velika u odnosu na druge familije logičkih kola. Napon napajanja im je redovno 5V, ulazni logički nivoi su V IHmin = 2V, VILmax = 0,8V, a izlazni VOHmin = 3,5V, VOLmax = 0,3V (tipične vrednosti; kod pojedinih kola odnosno kod različitih proizvođača mogu se pojaviti odstupanja). Može se uočiti izvesna asimetrija u marginama smetnji za nizak i visok logički nivo. Manja magina smetnji pri niskom logičkom nivou je opravdana jer zasićeni tranzisto obezbeđuje izlaznu tašku male impedanse što dobro prigušuje smetnje.

2.8.ECL logička kola I ECL (Emitter Coupled Logic) kola se ostvaruju bipolarnim tranzistorima. Pošto je zasićenje bipolanog tranzistora glavna prepreka za postizanje veće brzine, kod ovih kola se aktivni režim koristi za predstavljanje jednog od logičkih nivoa. Iz aktivnog režima moguć je brz prelazak u zakočenje i kontra. Jedno posto kolo, ILI funkcija ostvarena u ECL tehnici, pikazana je na slici, zajedno sa svojom prenosnom karakteistikom. Dovođenjem niskog logičkog nivoa (V 1 < -1,5V) na oba ulaza, zakoči se Q1 i Q2, a Q3 je u aktivnom režimu. Zahvaljujući aktivnom režimu, Q 3 odvodi jedan deo bazne struje tranzistora Q 4 što dovodi do smanjenja struje kolektora istog tranzistora i do smanjenja izlaznog logičkog nivoa na nizak nivo. Ako se na bazu bilo kog od tranzistora Q 1 ili Q2 dovede visok logički nivo (V2 > -1V), dotični tranzistor prelazi u aktivni režim i zakoči tranzistor Q 3. Pri tome Q4 dobije veću baznu struju i podiže izlaz na visoki logički nivo.

Slika 21. ILI kolo u ECL tehnici (a) i prenosna karakteristika (b) Pored ovde prikazanog ECL ILI kola realizovano je puno drugih logičkih kola na sličan način i razvoj time nije stao. Izašle su na tržište nove familije ECL10K i ECL 100K. ECL kola nisu pogodna za industrijsku primenu, redovno se koriste z realizaciji centralnih jedinica velikih digitalnih računara.

2.9.I2L logička kola Razvojem digitalne tehnike pojavila se potreba za integracijom što složenijih funkcija na silicijumsku pločicu date površine. Tako su prvo razvijena SSI kola (Small Scale Integation), zatim MSI (Medium Scale Integation), LSI kola (Lage Scale Integration) i VLSI kola (Very Large Scale Integration), uz sve veću gustinu pakovanja. Jedan pavac razvoja je bio razvoj što manjih tranzistora i dugih komponenti, sa druge strane istraživanja su kola sa što manjim brojem elemenata po elementarnoj logičkoj funkciji. Tako je

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

23

formirana I2L familija logičkih kola. Osnovne komponente su i ovde bipolarni tranzistori, ovde redovno u izvedbi sa više kolektora (slika 22).

Slika 22. ILI odnosno NILI logičko kolo ostvareno u I2L tehnici Prikazano kolo istovremeno osvaruje veći broj logičkih funkcija. Nizak logički nivo na izlazu je predstavljen zasićenjem tranzistora koji formira taj izlaz (V OL = VCEsat

0,1V). Visoki logički nivo na

izlazu je definisan ulaznim naporom tranzistora koji čini ulazni deo sledećeg kola (V OH = VBEsat 0,8V). Može se zaključiti da je kod I2L kola udaljenost logičkih nivoa (logička amplituda) male vrednosti, odavde sledi da če biti male margine smetnji i primena ovih kola u industrijskoj sredini nije preporučljiva.

2.10.MOS logička kola Logička (digitalna) kola se mogu izraditi i na bazi mosfetova u prekidačkom režimu. NMOS logička kola koriste isključivo N kanalne mosfetove, au SMOS tehnici se kombinuju N kanalne i P kanalne komponente. Realizacije čisto na bazi P kanalnih komponenti nisu uobičajene. Ni kolo (kapija) ealizovana u NMOS tehnici zajedno sa uprošćenom ekvivalentnom šemom je prikazana. Zbog redne veze prekidača u donjoj grani, struja prema masi može da se uspostavi samo ako na oba ulaza (na gejtove) dovedemo visoki logički nivo ( veći od praga povođenja mosfetova). U istom kola treći mosfet (Q3) igra ulogu aktivnog oteećenja umesto otpornika prema napajanju.

Slika 23. NI kolo ostvareno u NMOS tehnici (a) i ekvivalentna šema sa prekidačima (b). NMOS NILI kapija je prikazana na slici , zajedno sa ekvivalentnom šemom.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

24

Slika 24. NILI kapija realizovana u NMOS tehnici (a) i ekvivalentna šema sa prekidačima (b) U CMOS tehnici logički invetor se može smatrati za osnovno kolo. Odgovarajuće kolo sa svojom prenosnom karakteristikom je prikazano na slici. Pri postepenom rastu signala na ulazu N kanalni mosfet Q1 prelazi iz zakočenog stanja u zasićenje, zatim u triodnu oblast. Isto se dešava sa P kanalnim mosfetom Q2 u suprotnom slučaju kada ulazni signal pada postepeno od V DD prema masi. Pragove otvaranja (VT) podešavanju na taj način da prenosna karakteristika bude simetrična u odnosu na tačku VDD/2.

Slika 25. Logički invertor u SMOS tehnici (a) i odgovarajuća prenosna karakteristika (b) Važna osobina CMOS kola je da kroz MOS kanale prolazi struja samo za vreme prelaza između logičkih nivoa, inače je potrošnja kola zanemarljiva. Zahvaljujući ovome, CMOS kola su jako pogodna za realizaciju prenosnih uređaja sa baaterijskim napajanjem (kalkulatori, ručni satovi, merni instrumenti itd.). Ipak, treba znati da sa porastom radne frekfencije potrošna CMOS kola raste značajno. Potrošnja je pouzrokovana čestim punjenjem i pražnjenjem ulaznih parazitih kapaciteta mosfetova (kapacitet gejta). Druga dobra osobina CMOS kola su velike margine smetnji. Izlazni logički nivoi su u okolini napona napajanja i mase, a prelaz između logičkih nivoa je relativno nagli i dešava se u okolini polovine napona napajanja. Prema tome, teoretski gledanom, margine smetnji bi imale vrednosti od blizu VDD/2. U stvarnosti, zbog nesigurnosti pragova mosfetova, za realne margine smetnji se može uzeti vrednost od 0,3VDD. Slično CMOS inveroru konstruisano je CMOS NI i NILI kolo. Ovi su prikazani na slici 26 i , zajedno sa odgovarajućim ekvivalentnim šemama. U primeni je veliki broj CMOS logičkih kola niske integracije (SSI) sa prostijim i složenijim logičkim funkcijama. Prvobitne varijante se već danas mogu smatrati zastarelim ali ima novijih razvojinih rezultata. Vrlo je popularna recimo HCMOS serija kod koje je postignuta velika brzina uz malu potrošnju. CMOS kola su prisutna i u LSI i u VLSI tehnici.

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

Slika 26 . CMOS NI kola (a) i odgovarajuća ekvivalentna šema (b).

Slika 27. CMOS NILI kolo (a) i odgovarajuća ekvivalentna šema (b).

25

POSLOVNA ŠKOLA Beograd - Tranzistori i logička kola

26

LITERATURA 1. Ratko Opačić, Elektronika I; Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd 2002. 2. Mr. Nandor Burany, Osnovi elektronike, 1995.3. 3. (5 August 2002) Semiconductor Spintronics and Quantum Computation, Berlin, : Springer-Verlag ISBN 978-3-540-42176-4. URL accessed 28 November 2012. 4. Bostock, Geoff (1988). Programmable logic devices: technology and applications, New York: McGraw-Hill ISBN 978-0-07-006611-3. URL accessed 28 novembar 2012. 5. (1992) Field Programmable Gate Arrays, Boston, MA: Kluwer Academic Publishers ISBN 978-0-7923-9248-4. URL accessed 28 Novembar 2012. 6. Ing.ALFRED ZIDAN, Ing. BOŽO MILOBAR “SPOJEVI S TRANZISTORIMA” 7. Internet: - www.wikipedia.org www.elektronika.ba - www.google.com