Dióda logika - Diode logic
A dióda logika ( DL ) vagy dióda-ellenállás logika ( DRL ) a Boole- logikai kapuk felépítése a diódákból . A dióda logikát széles körben alkalmazták a korai számítógépek gyártásában, ahol a félvezető diódák helyettesíthették a terjedelmes és költséges aktív vákuumcsöveket . A dióda logika leggyakoribb felhasználása a dióda - tranzisztor logika (DTL) integrált áramkörökben történik, amelyek a diódákon kívül inverter logikát is tartalmaznak a NEM funkció és a jel helyreállításához.
Míg a dióda logika előnye az egyszerűség, az erősítő fokozat hiánya az egyes kapukban korlátozza annak alkalmazását. Nem minden logikai függvény valósítható meg egyedül a dióda logikában; csak a nem invertáló logikai ÉS és logikai VAGY függvények valósíthatók meg diódakapukkal. Ha több dióda logikai kaput kaszkádoznak, akkor a feszültségszintek minden szakaszban jelentősen megváltoznak, így a dióda logikája általában egyetlen fokozatra korlátozódik, bár speciális kivitelben néha kétlépcsős rendszereket érnek el.
A feltételezések egyszerűsítése
Szemléltetésképpen ez a vita idealizált diódákat feltételez, amelyek feszültségcsökkenés nélkül haladnak előre, és nem fordított irányban. A logikai tervezés két különböző jelszintet feltételez, amelyeket 1 és 0 jelzéssel látnak el . Pozitív logika esetén az 1 a legpozitívabb szintet és a 0 a legnegatívabb szintet jelenti. Ennek a vitának a szemléltetésére az 1 pozitív logikát +6 volt, a 0 volt pedig a 0 logikát jelöli. A bináris logikában a jelfeszültség pontos nagysága nem kritikus, és csak az szükséges, hogy az 1 és a 0 állapotokat észlelhetően különbözőek jelenítsék meg feszültségszintek.
Ezekben a példákban minden kapu legalább egy bemenetét a meghatározott logikai 1 vagy logikai 0 szinteket biztosító feszültségszinthez kell csatlakoztatni. Ha minden bemenet leválasztásra kerül bármely meghajtó forrásból, a kimeneti jel nem korlátozódik a megfelelő feszültségtartományra.
Dióda logikai kapuk
A logikai kapukban a logikai funkciókat párhuzamos vagy sorba kapcsolt kapcsolók (például reléérintkezők vagy szigetelt kapu FET -ek, például CMOS ) hajtják végre, amelyeket logikai bemenetek vagy párhuzamos ellenállások vagy diódák vezérelnek, amelyek passzív összetevők. A dióda logikát olyan diódák valósítják meg, amelyek előfeszítésnél alacsony impedanciájúak és fordított előfeszítés esetén nagyon nagy impedanciájúak. Kétféle dióda logikai kapu létezik - VAGY és ÉS. Nem lehet NEM (invertált) dióda kapukat építeni, mert az invert funkcióhoz aktív komponens, például tranzisztor szükséges.
VAGY logikai kapu
A jobb oldali képen egy dióda VAGY áramkör látható. A dióda szimbólum egy nyíl, amely az áramlás előre irányuló alacsony impedanciájú irányát mutatja. Minden dióda rendelkezik bemenettel az anódjain, és katódjai össze vannak kötve a kimenet meghajtásához. R a kimenetről valamilyen negatív feszültségre (-6 volt) van csatlakoztatva, hogy előfeszítő áramot biztosítson a diódákhoz.
Ha az összes A és B és C bemenet 0 voltos (0 -as logikai szint), akkor az R -n átfolyó áram lehúzza a kimeneti feszültséget, amíg a diódák rögzítik a kimenetet. Mivel ezeket a diódákat ideálisnak tekintik, a kimenet 0 voltra van rögzítve, ami a 0. logikai szint. Ha bármelyik bemenet pozitív feszültségre kapcsol (1. logika), akkor a most előre elfogult diódán átfolyó áram felfelé húzza a kimeneti feszültséget , pozitív feszültséget biztosít a kimeneten, logika 1. Bármely pozitív feszültség logikai 1 állapotot képvisel; az áramok összegzése több diódán keresztül nem változtatja meg a logikai szintet. A többi dióda fordított előfeszítésű, és nem vezet áramot.
Ha az A VAGY B VAGY C bemenet 1, akkor a kimenet 1 lesz. Csak akkor, ha az összes bemenet, A és B és C 0, a kimenet 0 lesz. Ez a logikai OR definíciója. A kép jobb oldalán található igazságtábla a bemenetek összes kombinációjának kimenetét mutatja.
Ezt így lehet írni:
- A VAGY B VAGY C = KIMENET
- vagy
- A+B+C = KIMENET
A logikai algebrában a plusz jelet (+) használják az OR jelzésére.
R bármilyen negatív feszültségre visszatérhet. Ha R 0 voltra van csatlakoztatva, akkor nem áll rendelkezésre meghajtóáram a következő áramkör meghajtásához; a gyakorlati diódáknak előfeszítő áramra van szükségük. Egy gyakorlati áramkörben minden jelszintet, R értékét és visszatérő feszültségét az áramkör tervezője választja ki, hogy megfeleljen a tervezési követelményeknek.
ÉS logikai kapu
Az ÉS dióda alapvetően ugyanaz, mint a VAGY, kivéve, ha fejjel lefelé fordítják. A diódák felcserélődnek úgy, hogy a katódok a bemenetekhez vannak csatlakoztatva, az anódok pedig össze vannak kötve a kimenet biztosítása érdekében. R +12 voltra van kötve, hogy biztosítsa a diódák előfeszítő áramát és a kimeneti meghajtó áramát.
Ha az összes A és B és C bemenet pozitív feszültségű (itt +6 volt), akkor az R -n keresztül áramló áram pozitív lesz, amíg a diódák a kimenetet +6 voltra nem szorítják, azaz a logikai 1 kimeneti szintet. Ha bármelyik bemenet 0 voltra kapcsol (logikai 0 szint), akkor a diódán átfolyó áram lehúzza a kimeneti feszültséget 0 voltra. A többi dióda fordított elfogultságú lenne, és nem vezetne áramot.
Ha az A vagy B vagy C bemenet 0, akkor a kimenet 0 lesz. Csak akkor, ha minden bemenet, A ÉS B ÉS C 1, a kimenet 1 lesz. Ez a logika ÉS definíciója. A kép jobb oldalán található igazságtábla a bemenetek összes kombinációjának kimenetét mutatja.
Ezt így lehet írni:
- A ÉS B ÉS C = KIMENET
- vagy
- A × B × C = KIMENET
(A boole -algebrában a szorzás szimbólum az AND -t jelöli.)
Az OR diódához hasonlóan R visszatérhet bármely olyan feszültségre, amely pozitívabb, mint az 1. logikai szint. Ha R 1 -es feszültséggel van összekötve, akkor nem áll rendelkezésre meghajtóáram a következő áramkör meghajtásához. Minden jelszint, az R értéke és a visszatérő feszültsége az áramkör tervezője által választott opciók, amelyek megfelelnek a tervezési követelményeknek.
Negatív logika
Az 1 és 0 hozzárendelése a pozitív és negatív jelszintekhez a logikai tervező opciója az ÉS vagy VAGY áramkörök használatával. Ezzel a feladattal azt feltételezi, hogy a logika pozitív. Ugyanilyen valószínű, hogy a hozzárendelés fordított is lehet, ahol 1 a negatív feszültség és 0 a pozitív feszültség. Ez negatív logika lenne. A pozitív és negatív logika közötti váltást általában a hatékonyabb logikai tervezés elérése érdekében használják.
A Boole -algebrában felismerték, hogy a pozitív logika VAGY a negatív logika ÉS. Hasonlóan a pozitív logika ÉS a negatív logika VAGY.
Ez a kapcsolat könnyen felismerhető, ha elolvassa a működésük fenti leírását. A VAGY -ban ez állt: „Csak akkor, ha minden bemenet, A és B és C 0, a kimenet 0 lesz.” Negatív logikában minden alacsonyabb feszültségű csomópont 1 -es logikává válna, így kijelentve: „Csak akkor, ha minden bemenet, A és B ÉS C 1, a kimenet 1 lesz.” Ez az ÉS függvény definíciója.
Hasonlóan az ÉS -hez: „Ha az A, B vagy C bemenet 0, akkor a kimenet 0 lesz.” Negatív logikában minden alacsonyabb feszültségű csomópont 1 -es logikává válna, így kijelentve: „Ha az A VAGY B VAGY C bemenet 1, akkor a kimenet 1 lesz.” Ez a VAGY függvény definíciója.
A diódák bármely elrendezésének logikai funkciója csak akkor állapítható meg, ha ismert a logikai állapotok feszültségszintek szerinti ábrázolása.
Dióda logika valódi diódákkal
A fenti leírások egy ideális diódát feltételeztek, amelynek nulla ellenállása van előremenő irányban, és végtelen ellenállás ellenkező irányban. Az áramkör tervezőinek valódi diódákkal kell foglalkozniuk. A cikkek pn dióda és egy kevésbé részletes cikk pn csomópont leírják a PN dióda fizikáját. Az elektronokról, lyukakról, többségi és kisebbségi vivőkről stb. Szóló vita után egyenlőségre jutunk, amely a legközvetlenebbül kapcsolódik az áramkör tervezőjéhez. A valódi PN dióda valójában a jobb oldali görbéhez hasonló feszültségáram -karakterisztikával rendelkezik. Pontosabb meghatározás a Shockley dióda egyenletben található . A megbízható dióda logikai áramkör tervezője általában arra korlátozódik, amit a dióda specifikáció nyújt, ami gyakran kevesebb, mint az egyenlet sugallja. Általában a specifikáció elsősorban maximális előremenő feszültségcsökkenést biztosít egy vagy több előremenő áramnál és fordított szivárgási áramot. Ezenkívül maximális fordított feszültséget biztosít, amelyet a zener vagy a lavina lebont. A tipikus legrosszabb eset specifikációkat az alábbiakban a germánium és a szilícium PN diódák mutatják be.
Germánium dióda:
- Max. Előremenő feszültség 10 mA -nél = 1 volt @ 0 és 85 ° C között
- Max. Fordított szivárgási áram 15 voltnál = 100 mikroamper @ 85 ° C
Szilícium dióda:
- Max. Előremenő feszültség 10 mA -nél = 1 volt @ 0 és 125 ° C között
- Max. Fordított szivárgási áram 15 voltnál = 1 mikroamper 85 ° C -on
Az alkatrészgyártás változásainak és a hőmérsékletnek a hatásait általában ezek a specifikációk tartalmazzák.
Valójában a germánium előremenő feszültsége 0,25-0,4 volt lehet, de ezt gyakran nem határozzák meg. A szilícium szivárgási áram sokkal kisebb lehet, esetleg 1-100 nanoamper.
A PN diódáknak átmeneti viselkedésük is van, ami aggodalomra adhat okot a tervezés során. A PN dióda kapacitása az anód és a katód között fordítottan arányos a fordított feszültséggel, növekszik, amikor nulla volthoz közeledik, és előfeszítésbe kerül. Van egy helyreállítási probléma is, ahol az áram nem csökken azonnal, ha az előre irányú előirányúról a fordított előtolásra vált. A dióda VAGY esetén, ha kettő vagy több bemenet az 1 -es szinten van, és az egyik 0 -ra kapcsol, az hibát vagy az áram növekedését okozza az 1 -ben maradt diódákban. Ez rövid távú zuhanást okozhat kimeneti feszültség. A gyakorlatban, ha a dióda logikai kapuja tranzisztoros invertert hajt, mint általában, és a dióda és tranzisztor hasonló felépítésű, akkor a tranzisztornak hasonló lesz az alapkollektor kapacitása, amelyet a tranzisztor erősítése erősít meg, így túl lassú lesz adja át a hibát. Csak akkor lesz gond, ha a dióda sokkal lassabb felépítésű. Az egyik szokatlan kivitelben kis szeléndiódás lemezeket használtak germánium tranzisztorokkal. A nagyon lassú szelén diódák helyreállítási ideje hibát okozott az inverter kimenetében. Rögzítették úgy, hogy szeléndiódát helyeztek a tranzisztor bázis -kibocsátó csomópontjára, így „azt gondolva”, hogy szelén tranzisztor (ha lehet ilyen).
Korai dióda logika tranzisztoros inverterrel
1952-ig az IBM tranzisztorokat gyártott a polcról származó germánium diódák módosításával , majd saját ötvözetcsatlakozó tranzisztorgyártó üzemük volt a Poughkeepsie-ben . Az 1950-es évek közepén a dióda logikát használták az IBM 608-ban, amely a világ első teljesen tranzisztoros számítógépe volt. A jobb oldali kép két alapvető logikai áramkört mutat, amelyeket 608 kártyán használnak. Egy kártya négy kétirányú áramkört vagy három három- vagy egy nyolcirányú áramkört tartalmazna. Minden bemeneti és kimeneti jel kompatibilis volt. Az áramkörök képesek voltak megbízhatóan váltani akár egy mikroszekundumos impulzusokat.
Az 1962 - es D-17B irányító számítógép tervezői a lehető legnagyobb mértékben dióda-ellenállás logikát alkalmaztak, hogy minimalizálják a használt tranzisztorok számát.
Felújítás
Az aktív elemekkel megvalósított digitális logikát a jel helyreállítása jellemzi. Az igaz és hamis értékeket, illetve az 1 -et és a 0 -t két specifikus feszültségszint jelzi. Ha a digitális logikai kapu bemenete közel van a megfelelő szinthez, akkor a kimenet közelebb vagy pontosan megegyezik a kívánt szinttel. Az aktív logikai kapuk nagy számban integrálhatók, mivel mindegyik kapu hajlamos a zaj eltávolítására a bemenetén. A dióda logikai kapukat passzív elemek valósítják meg; tehát két helyreállítási problémájuk van.
- Előremenő feszültségesés
- A dióda logika első helyreállítási problémája az, hogy a feszültségcsökkenés V F körülbelül 0,6 V az előfeszített diódán. Ezt a feszültséget minden kapu bemenetéhez hozzáadják vagy levonják, így felhalmozódik a dióda kapuk kaszkádozásakor. VAGY kapuban V F csökkenti a magas feszültségszintet (a logikai 1 ), míg ÉS kapuban növeli az alacsony feszültség szintjét (a logikai 0 ). A logikai lépések megvalósítható száma tehát a feszültségcsökkenéstől és a magas és az alacsony feszültségek közötti különbségtől függ.
- Forrás ellenállás
- A dióda logika másik problémája a bemeneti feszültségforrások belső ellenállása. A kapuellenállással együtt egy feszültségosztót képez, amely eltéréseket okoz a feszültségszintekben. VAGY kapuban a forrás ellenállása csökkenti a magas feszültségszintet (a logikai 1 ), míg az ÉS kapuban növeli az alacsony feszültségszintet (a logikai 0 ). A jobb oldali képen lévő lépcsőzetes ÉS VAGY dióda kapukban az ÉS magas kimeneti feszültségek csökkennek az ÉS felhúzó ellenállások belső feszültségcsökkenése miatt.
Alkalmazások
A dióda -logikai kapukat a dióda -tranzisztor logikai (DTL) kapuk építésére használják integrált áramkörként.
A hagyományos IC -k kimenetei (kiegészítő kimeneti hajtási fokozatokkal) soha nem kapcsolódnak közvetlenül egymáshoz, mivel feszültségforrásként működnek. A diódákkal azonban két vagy több digitális (magas/alacsony) kimenetet lehet kombinálni egy IC -ről, például egy számlálóról. Ez a vezetékes logikai kapcsolat hasznos módja lehet egyszerű logikai funkciók előállításának további logikai kapuk használata nélkül.
A legtöbb áramkörcsaládot úgy tervezték, hogy ezeknek a jelszinteknek megfelelően kompatibilis bemenetei és kimenetei legyenek a megbízható teljesítmény elérése érdekében. A dióda logika hozzáadása csökkenti a jelszintet, és gyenge zajkioldást és esetleges meghibásodást eredményez.
Alagút diódák
Az 1960 -as években az alagútdiódák logikai áramkörökben való felhasználása aktív kutatási téma volt. Az akkori tranzisztoros logikai kapukhoz képest az alagútdiódák sokkal nagyobb sebességet kínáltak. Más diódatípusokkal ellentétben az alagútdióda felajánlotta a jelek felerősítésének lehetőségét minden szakaszban. Az alagútdiódák logikájának működési elvei az alagútdiódák előfeszítésén és a küszöbáram feletti bemenetek áramellátásán alapulnak, hogy a diódát két állapot között kapcsolják. Következésképpen az alagútdiódák logikai áramköreihez szükség volt a dióda alaphelyzetbe állítására minden logikai művelet után. Egy egyszerű alagút dióda gate keveset szigetelés között be- és kimenetek és alacsony volt a ventilátor és a ventilátor ki . A bonyolultabb kapuk további alagútdiódákkal és torzító tápegységekkel felülkerekedtek ezen korlátozások egy részén. A diszkrét és integrált áramkörű tranzisztorok sebességének fejlődése, valamint a tranzisztoros erősítők szinte egyoldalú jellege megelőzte az alagútdiódák kapuját, és már nem használják a modern számítógépekben.