Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

OB21-OP-EL-CT-JANC-M-2-013 Hradla AND a NAND OB21-OP-EL-CT-JANC-M-2-013

Hradla AND a NAND Dnes nejvíce používanými technologiemi na realizaci logických funkcí jsou technologie TTL a CMOS. Obě tyto technologie využívají polovodičové prvky. Technologie TTL používá bipolární tranzistory a technologie CMOS tranzistory unipolární. Jednotlivé logické prvky – hradla – realizují vždy příslušnou logickou funkci. Nejvíce používanými logickými funkcemi jsou negace NOT realizovaná invertorem, logický součin AND realizovaný hradlem AND a logický součet OR realizovaný hradlem OR.

Hradla AND a NAND V praxi jsou nejvíce používána hradla, která realizují úplný systém logických funkcí. Jsou to logické funkce negovaného logického součinu NAND realizované pomocí hradla NAND a logická funkce negovaného logického součtu NOR realizovaná pomocí hradla NOR. Obě tato hradla jsou vyráběna jak v provedení TTL, tak i v provedení CMOS. Nejméně jsou v praxi používána hradla AND a OR.

Hradlo NAND v technologii TTL Logické hradlo TTL bylo prvním vyrobeným logickým členem. Typické uspořádání hradla NAND v technologii TTL standard (Tranzistor-Tranzistor-Logic) je znázorněno na obr. 1.

Hradlo NAND v technologii TTL Obr. 1 Vnitřní uspořádání dvouvstupového hradla NAND TTL

Hradlo NAND v technologii TTL Důležitou součástí hradla NAND technologie TTL je víceemitorový tranzistor, pomocí něhož je logický součin realizován. Je-li alespoň jeden ze vstupů A,B na úrovni logické nuly (tj. napětí menší než 0,8 V), je přechod báze – emitor tranzistoru T1 otevřen a prochází jím ze zdroje UCC přes rezistor R1=4k proud do vnějšího vstupního obvodu. Tranzistor T1 je nasycen a na jeho kolektoru je napětí přibližně shodné s napětím na emitoru. Tranzistor T2 je proto uzavřen, na rezistoru R3 s odporem 1k je nulové napětí a je tedy uzavřen i tranzistor T4.

Hradlo NAND v technologii TTL Přes rezistor R2=1,6k prochází do báze tranzistoru T3 proud a na výstupu je napětí odpovídající úrovni logická 1. Jeho hodnota je dána napájecím napětím UCC=5V, sníženým o úbytek napětí na přechodu báze-emitor tranzistzoru T3 a o úbytek napětí na diodě D.

Hradlo NAND v technologii TTL Zvyšujeme-li napětí UI na vstupu obvodu až k napětí odpovídající úrovni logická 1, změní se činnost tranzistoru T1 tak, že emitorové přechody jsou uzavřeny a přechod báze-kolektor se chová jako propustně pólovaná dioda. Tranzistor T1 pracuje v inverzním režimu (na emitoru má vyšší napětí než na kolektoru). Proud určený rezistorem R1=4k a napětím zdroje UCC=5V prochází touto diodou do báze tranzistoru T2. Ten se nasytí a současně svým emitorovým proudem způsobí úbytek napětí na rezistoru R3 a otevře tranzistor T4.

Hradlo NAND v technologii TTL Protože mezi kolektorem a emitorem tranzistoru T2 je jen malé saturační napětí, je tranzistor T3 uzavřen. K jeho uzavření přispívá též dioda D. Na výstupu je kolektorové napětí nasyceného tranzistoru T4, které odpovídá úrovni logické 0.

Hradlo NAND v technologii TTL Na obr. 2 je znázorněna převodní charakteristika standardního hradla TTL. Znázorňuje závislost výstupního napětí hradla UO na vstupním napětí UI. Bod A na charakteristice odpovídá skutečné rozhodovací úrovni, kdy UO = UI.

Hradlo NAND v technologii TTL Obr. 2 Převodní charakteristika hradla TTL

Hradlo NAND v technologii TTL Dvouvstupové hradlo NAND se vyrábí pod označením 7400. Písmena před tímto označením udávají výrobce, např. SN je označení pro Texas Instruments. Obdobně funguje v technologii TTL i hradlo AND, kdy je na výstupu za tranzistor T4 zařazen ještě další stupeň, který realizuje funkci invertoru tohoto signálu. Kromě standardní řady 74XX existují i řady modifikované. Vznikly tak řady obvodů TTL, které se liší zapojením.

Hradlo NAND v technologii TTL Dále jsou uvedeny některé významné řady TTL: TTL - standard, původní řada obvodů TTL STTL – řada obvodů TTL využívající princip Schotkyho tranzistoru LSTTL – nízkopříkonová řada obvodů STTL (Low Power Schotky) ALSTTL – pokročilá nízkopříkonová řada obvodů STTL (Advanced Low Power Schotky) FTTL – rychlá logika TTL (Fast TTL)

Hradlo NAND v technologii TTL Nízkopříkonová řada LSTTL je v současné době nejvíce rozšířenou řadou. V této řadě dodávají výrobci nejvíce typů produktů.

Hradlo NAND v technologii CMOS Logická hradla v technologii CMOS se konstruují vhodným zapojením několika invertorů. Hradlo NAND bývá sestaveno tak, že: Spojíme dva MOSFET tranzistory T1 a T2 s n- kanálem v sérii a dva MOSFET tranzistory T3 a T4 s p-kanálem paralelně Spojíme vývody hradel (G) tranzistorů MOSFET párově (s kanálem p a s kanálem n) T1 – T3 a T2 – T4, získáme zapojení dvouvstupového hradla NAND. Způsob zapojení je patrný z obr. 3. Základní parametry a porovnání obvodů CMOS a TTL je uvedeno v tabulce Tab. 1.

Obr. 3 Zapojení dvouvstupového hradla NAND CMOS

Tab. 1 Porovnání parametrů obvodů TTL a CMOS

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura Antošová M, Davídek V.: Číslicová technika, KOPP České Budějovice 2008 Bernard J., Hugon J., Le Covec R.: Od logických obvodů k mikroprocesorům I, SNTL Praha 1982