Vlastnosti číslicových součástek Střední odborná škola Otrokovice Vlastnosti číslicových součástek Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM 2 Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /3 Autor Ing. Miloš Zatloukal Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-CT/2-EL-4/4 Název DUM Vlastnosti číslicových součástek Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 26-41-L/52 Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika Vyučovací předmět Číslicová technika Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 19 – 20 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce s doplňujícím výkladem vyučujícího; náplň: vlastnosti číslicových součástek Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Signál, stav, napěťová rezerva, zakázané pásmo, převodní charakteristika, hystereze, zesilovač, zátěž, kapacitní, výstupní větvení, zatěžovací charakteristika, TTL, CMOS Datum 4. 7. 2013

Vlastnosti číslicových součástek Obsah tématu Pravidlo rezerv v úrovních Převodní charakteristika - členy neinvertující - členy invertující - členy s hysterezí Typy zátěží výstupu - zatížení TTL - zatížení CMOS

Číslicové součástky Jedná se o elektronické obvody, které pracují s číslicovými – diskrétními signály. Tyto signály mají konečný počet hodnot – tzv. stavů Používané signály mají stavy - 2 – označují se jako dvoustavové - 3 – označují se jako třístavové Jak zajistit návaznost číslicových součástek z hlediska přenosu signálů a rozpoznání jejich významu? Pomocí pravidla rezerv v úrovních pro logickou nulu a jedničku mezi výstupem jedné a vstupem druhé, navazující součástky. Důvodem je zjednodušení návrhu zapojení s číslicovými součástkami bez nutnosti výpočtů elektrických parametrů a jejich ověřování v tomto zapojení.

UOHmin > UIHmin UOLmax < UILmax Číslicové součástky – pokračování Podle tohoto pravidla rezerv v úrovních pro logickou nulu a jedničku je výrobcem součástky zajištěno, že minimální výstupní napětí pro log. jedničku je větší než minimální vstupní napětí pro log. jedničku. UOHmin > UIHmin Obdobně je tomu pro logickou nulu: UOLmax < UILmax Tedy: největší výstupní napětí pro log. nulu musí být menší než vstupní napětí pro log. nulu. Díky rezervám je zajištěna správná funkce obvodu i při kolísání teplot, napájecího napětí, zátěže výstupů a rušení z okolí. Z následujícího obrázku je vidět, že zakázané pásmo je na výstupu je širší než na vstupu.

Číslicové součástky – pokračování Obr. 1: Vstupní a výstupní napěťové úrovně

Číslicové součástky – pokračování Vysvětlivky k obrázku: Ucc – napájecí napětí Ur – rozhodovací napěťová hladina, také jako referenční napětí ZP – zakázané pásmo H – logické jedna (vysoká úroveň – high) L – pásmo logické nula (nízká úroveň – low) O – výstup (Output) I – vstup (Input) Převodní charakteristika Tak jako i u jiných součástek, jde i u číslicového obvodu o závislost výstupního napětí na vstupním. Podle typu číslicového obvodu – např. logického členu máme obvody které neprovádějí negaci provádějí negaci Oba typy navíc mohou mít hysterezi.

Číslicové součástky – pokračování Obr. 2: Převodní charakteristiky logických členů

Číslicové součástky – pokračování Hystereze znamená, že součástka má určité pásmo necitlivosti, během kterého nedochází ke změně výstupu vlivem vstupu. Z obrázku je patrné, že skoková změna nastává pro jiné napětí při růstu vstupního napětí nad úroveň Ur (>Ur) a pro jiné (<Ur) při poklesu vstupního napětí Uvstup. K čemu nám tady hystereze slouží? Jde o to, že v oblasti kolem rozhodovacího napětí se číslicový obvod chová jako zesilovač (se zesílením řádově stovky) a při pomalu se měnícím vstupním signálu by se mohl nežádoucně rozkmitat (stane se z něj oscilátor). Řešení této situace Zajistit dostatečně strmý vstupní signál (co nejvíce kolmé vzestupné a sestupné hrany) Na kvalitu signálu příliš nedbat a místo obyčejného obvodu použít obvod s hysterezí – obvod reaguje méně citlivě, se zpožděním a nerozkmitá se Pozn. Hystereze je zajištěna vnitřní kladnou zpětnou vazbou v obvodu

Číslicové součástky – pokračování Obr. 3: Pomalu proměnlivé signály – chování logického členu bez hystereze a s ní

Číslicové součástky – pokračování Z předchozího obrázku je vidět, že u logického členu bez hystereze (levý část obrázku) dochází k četným zákmitům pro pomalé změny vstupního budícího signálu. Naopak člen s hysterezí zákmity nemá (pravý část obrázku) Jak je tomu se zátěží výstupu ? Tato je buď standardní – jde o vstupy následujících číslicových obvodů a jejich počet výrobce obvodu uvádí jako výstupní větvení nestandardní – jde o jiné než číslicové součástky – např. rezistor s diodou LED Co se děje s výstupem zatížené číslicové součástky? Záleží to na typu použité technologii, s jakou je součástka vyrobena. TTL – technologie s bipolárními tranzistory – dochází ke změně časového průběhu signálu (zhoršení dynamických parametrů – zejména poklesne strmost hran) - dále se zhorší i napěťové úrovně (nelze totiž zanedbat vstupní proudy připojených obvodů) Proto je nutné při návrhu zapojení s obvody TTL znát i výstupní (zatěžovací) charakteristiky těchto obvodů.

Číslicové součástky – pokračování Ke znehodnocení signálu nedochází, pokud jde o standardní zátěž a není překročeno číslo výstupního větvení. To se pohybuje od - 10 u základní – standardní řada TTL - 20 – pokročilejší řady LS a ALS (mají nižší vstupní proudy) - 30 – výkonová řada Pokud bychom přesto zatížili výstup více vstupy než povoluje výrobce obvodu a to vstupy standardními (v případě nestandardních jich může být ještě méně) zhoršíme kvalitu výstupního signálu až na mez jeho další použitelnosti. Navíc zde platí pravidlo, že udávaný počet možného větvení (zatížení výstupu) se týká navazujících členů vyrobených ve stejné technologii – při použití obvodů různých technologií může být větvení ještě menší (než u pouze samotných TTL obvodů) – je nutné znát příslušné vstupní proudy.

Obr. 4: Výstupní – zatěžovací charakteristiky

Číslicové součástky – pokračování Na obrázku je patrná závislost výstupního napětí na dodávaném proudu pro logickou jedna (H) – proud je záporný, pro stav logické nuly (L) jde o odebraný proud a znaménko má kladné. Signál je znehodnocen při poklesu napětí pod UOHmin (H) nebo je-li napětí větší než UOLmax. CMOS – unipolární technologie s nízkými vstupními proudy, proto se zde jeví zátěž jako kapacitní (přispívají k ní navíc parazitní kapacity spojů mezi obvody). Kapacitní zátěž nesnižuje napěťové úrovně, ale zhoršuje dynamické parametry obvodu – zhorší se časový průběh snížením strmosti hran. Systém s CMOS obvody tak musí splňovat požadavky na rychlost.

Číslicové součástky – pokračování Číslicová součástka obsahuje tři stupně - Vstupní blok – zajišťuje: - ochranné obvody (brání poškození součástky vlivem statického náboje) - rozlišení napěťových úrovní pro logickou nulu a jedničku - Centrální část – řeší zpracování informace - Výstupní blok – dodává - požadované výstupní proudy - správné napěťové úrovně Pozn. Z důvodů různé složitosti těchto bloků mívají tyto různá vnitřní napájecí napětí, nejnižší má prostřední stupeň (jde o co nejnižší příkon)

Kontrolní otázky Označení diskrétní v souvislosti s číslicovou součástkou se týká Utajení obsahu informace Faktu, že výstup nabývá omezeného počtu stavů Omezeného napájecího napětí 2. Šířka zakázaného pásma je Stejná na vstupu i na výstupu Na vstupu užší než na výstupu Na vstupu širší než na výstupu 3. Převodní charakteristika je Závislost vstupu na výstupu Závislost výstupu na vstupu Jiné označení pro zatěžovací charakteristiku

Kontrolní otázky – správné odpovědi – červeně Označení diskrétní v souvislosti s číslicovou součástkou se týká Utajení obsahu informace Faktu, že výstup nabývá omezeného počtu stavů Omezeného napájecího napětí 2. Šířka zakázaného pásma je Stejná na vstupu i na výstupu Na vstupu užší než na výstupu Na vstupu širší než na výstupu 3. Převodní charakteristika je Závislost vstupu na výstupu Závislost výstupu na vstupu Jiné označení pro zatěžovací charakteristiku

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, Vstupní a výstupní napěťové úrovně Obr. 2: Převodní charakteristiky logických členů Obr. 3: Pomalu proměnlivé signály – chování logického členu bez hystereze a s ní Obr. 4: Výstupní – zatěžovací charakteristiky

Seznam použité literatury: [1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN, Praha, 2001, ISBN 80-7232-206-0 [2] Blatný, J., Krištoufek, K., Pokorný, Z., Kolenička, J.: Číslicové počítače, SNTL, Praha, 1982 [3] Kesl, J.: Elektronika III – Číslicová technika, BEN, Praha, 2003, ISBN 80-7300-075-X [4] Pinker, J.,Poupa, M.: Číslicové systémy a jazyk VHDL, BEN, Praha, 2006, ISBN 80-7300-198-5

Děkuji za pozornost 