Porti logice

Fisa de documentare 1 Porti logice integrate

Portile logice sunt circuite logice integrate cu ajutorul carora sunt realizate (implementate) functiile logice de baza

Ele au una sau mai multe intrari si o singura iesire, care poate fi asociata cu un anumit mod de reprezentare: o expresie logica, un tabel de adevar, un simbol logic etc.

Tipuri de porti logice

Poarta SI (AND)

Fig.1 Simbolul portii SI

Poarta SAU (OR)

Este un circuit cu 2, 3 sau 4 intrari, a carui iesire, Y, este in starea logica 1 daca cel putin una din intrari este in starea logica 1.

Fig.2 Simbolul portii SAU

• Poarta Nu (Inversorul)

Este un circuit cu o singura intrare, a carui iesire, Y, este complementul intrarii.

Fig.3 Simbolul portii NU (inversor)

Poarta SI NU (NAND)

Este un circuit cu 2, 3, 4 sau 8 intrari, a carui iesire, Y, este in starea logica 0 daca si numai daca toate intrarile sunt in starea logica 1.

Fig.4 Simbolul portii SI NU

• Poarta SAU NU (NOR)

Este un circuit cu 2, 3, 4 sau 8 intrari, a carui iesire, Y, este in starea logica 0 daca cel putin una din intrari este in starea logica 1.

Fig. 5 Simbolul portii SAU NU

• Poarta SAU EXCLUSIV (XOR)

Este un circuit cu doua intrari, a carui iesire este in starea 1 daca si numai daca numai una din intrari este in starea 1.

Fig.6 Simbolul portii SAU EXCLUSIV

Analiza unui circuit cu porti logice este procedeul prin care se determina functia logica la iesirea acestuia.

Aceasta functie poate fi concretizata printr-o expresie logica, sau poate fi reprezentata in tabel de adevar, sau diagrama Veitch-Karnaugh.

In unele situatii, mai ales in cazul circuitelor realizate cu diferite tipuri de porti logice integrate, expresia functiei la iesirea circuitului este simplificabila pana la o functie elementara, astfel incat circuitul poate fi inlocuit cu o singura poarta logica integrata.

Sinteza unui circuit cu porti logice este procedeul prin care se ajunge la circuitul corespunzator unei functii logice date, procedeu care se mai numeste implementare

Etapele sintezei un circuit cu porti logice

• Descrierea functiei logice (daca nu e data explicit)
• Minimizarea functiei logice pentru obtinerea formei elementare
• Stabilirea variantei optime de implementare (numar minim de circuite integrate)

Se prefera porti logice de acelasi tip, de aceea se rearanjeaza functia logica (cu teorema lui De Morgan) fie ca un produs negat (pentru implementare cu porti SI NU), fie ca o suma negata (pentru implementare cu porti SAU NU)

• Desenarea circuitului logic cu porti logice
• Realizarea practica a circuitului logic cu porti logice

Circuitele integrate cu porti logice sunt incadrate in grupuri de circuite cu caracteristici similare, numite familii. Ele folosesc aceleasi tensiuni de alimentare, iar conditiile de intrare si de iesire prin care sunt reprezentate variabilele sunt identice.

Dupa tipul tranzistoarelor utilizate, exista doua familii de porti logice integrate:

• Familia de circuite logice integrate realizata cu tranzistoare bipolare, din care reprezentativa este familia TTL
• Familia de circuite logice integrate realizata cu tranzistoare unipolare de tip MOS,  din care reprezentativa este familia CMOS

Portile logice integrate TTL sunt adaptabile la toate formele de circuite logice integrate si asigura un foarte bun raport intre performante (viteza, puterea consumata) si pret.

In familia TTL poarta fundamentala este poarta SI NU.

Fig.7 Exemple de porti logice integrate TTL

Portile logice integrate CMOS au avantajul unei densitati mari de componente pe unitatea de suprafata a semiconductorului. De asemeni, consumul lor de putere este mult mai mic comparativ cu portile logice TTL.

In familia CMOS poarta fundamentala este inversorul.

Fig.8 Exemple de porti logice integrate CMOS

Functionarea portilor logice integrate este caracterizata de anumiti parametri, care reprezinta de fapt marimi electrice (tensiuni electrice, curenti electrici, perioade de timp).

Principalii parametri ai portilor logice integrate

• Nivelele logice de intrare, definite ca nivelele de tensiune  asociate cu valorile logice 1, respectiv 0, la intrarea unui circuit logic.

Notatii uzuale: V_IL (pentru 0 logic), V_IH (pentru 1 logic)

• Nivelele logice de iesire, definite ca nivelele de tensiune asociate cu valorile logice 1, respectiv 0, la iesirea unui circuit logic.

Notatii uzuale: V_OL (pentru 0 logic), V_OH (pentru 1 logic)

Din considerente de cuplare optima a iesirii unui circuit cu intrarea altui circuit, este necesar ca nivelele logice de intrare sa fie mai mari decat cele de iesire.

Diferenta dintre nivelele logice de intrare si cele de iesire se numeste margine de zgomot.

Curentii de intrare definiti ca fiind acei curenti care se inchid (intra sau ies din circuit), prin intrarea unui circuit, pentru nivelele logice V_IL si V_IH aplicate la intrare.

Notatii uzuale: I_IL (pentru V_IL), I_IH (pentru V_IH)

• Curentii de iesire definiti ca fiind acei curenti care se inchid (intra sau ies din circuit), prin iesirea unui circuit, pentru nivelele logice V_OL si V_OH generate la iesire.

Notatii uzuale: I_OL (pentru V_OL), I_OH (pentru V_OH)

• Timpul de propagare, reprezintand intervalul de timp scurs intre momentul aplicarii unui semnal la intrarea unui circuit si momentul obtinerii raspunsului la iesirea acestuia.

Notatii uzuale: t_pLH (pentru tranzitii din 0 in 1), t_pHL (pentru tranzitii din 1 in 0)

Datorita faptului ca t_pLH este mai mare decat t_pHL, exista situatii in care functionarea unui lant de porti logice este perturbata, in sensul ca semnalul de iesire poate disparea complet.

Parametrii portilor logice integrate TTL

• Tensiunea de alimentare este de 5 V.
• Tensiunile de intrare recunoscute sunt cuprinse intre 0 V si 0,8 V, pentru 0 logic, respectiv intre 2 V si 5 V , pentru 1 logic.
• Tensiunile de iesire generate sunt cuprinse intre intre 0 V si 0,4 V, pentru 0 logic, respectiv intre 2,4 V si 5 V , pentru 1 logic.

Iesire             Intrare

+5V

Domeniul pentru 1 logic

+2,4V

+2V

+0,8V

+0,4V

Domeniul pentru 0 logic

Fig.9 Nivelele logice de intrare si de iesire pentru circuitele TTL

• Marginea de zgomot, atat pentru domeniul 1 logic, cat si pentru domeniul 0 logic este de 0,4 V.
• Curentii de intrare si de iesire au valori si sensuri diferite :

I_IL = -1,6 mA ; I_OL = 16 mA

I_IH = 40 μA ; I_OH = -400 μA.

• Timpii de propagare au valorile uzuale:

t_pHL = (7÷20) ns

t_pLH = (10÷20) ns.

Parametrii portilor logice integrate CMOS

• Tensiunea de alimentare poate avea valori de 5 V, 10 V sau 15 V.

Iesire Intrare

+5V

+4,99V Domeniu pentru 1 logic

+3,5V

+1,5V

+0,05V Domeniu pentru 0 logic

Fig.10 Nivelele logice de intrare si de iesire pentru circuitele CMOS

• Tensiunile de intrare se aleg astfel :

V_IH (0,7÷ 1) V_dd ; V_IL = (0 ÷ 0,3) V_dd, unde V_dd este tensiunea de drena.

• Nivelul minim al tensiunii garantate la iesire pentru1 logic, V_OHmin = V_dd - 0,05 V
• Nivelul maxim al tensiunii garantate la iesire pentru 0 logic, V_OLmax=0,05 V
• Marginea de zgomot garantata este de 1V pentru intreaga gama a tensiunilor de alimentare
• Curentii de intrare si de iesire au sensuri si valori diferite:

I_IL = -10 pA ; I_OL =0,4 mA

I_IH = 10 pA ; I_OH = -0,5 mA.

• Timpul de propagare depinde de tensiunea de alimentare si are valori cuprinse intre 25 ns si 50 ns.

Activitatea de invatare 1 Tipuri de porti logice

Competente:

Identifica circuite integrate logice

Implementeaza functii binare simple cu circuite integrate logice

Interconecteaza circuite integrate logice in montaje

Verifica functionarea montajelor

Obiective vizate:

sa identifici tipuri de porti logice

sa explici functionarea portilor logice

Continutul: Identificarea portilor logice dupa simbol

Obiectivul: Dupa aceasta activitate veti putea sa precizati rolul portilor logice si sa explicati functionarea acestora

Enunt: Se dau simbolurile portilor logice de mai jos, numerotate cu cifre de la 1 pana la 6:

Asociati in tabelul de mai jos fiecare din cele 6 simboluri cu tipul portii logice, precizand expresia logica a functiei de iesire, Y, precum si functionarea portii.

Activitatea de invatare 2 Analiza circuitelor cu porti logice

Competente:

Identifica circuite integrate logice

Implementeaza functii binare simple cu circuite integrate logice

Interconecteaza circuite integrate logice in montaje

Verifica functionarea montajelor

Obiective vizate:

sa identifici tipuri de porti logice

sa determini functia logica realizata de un circuit cu porti logice

sa folosesti corect regulile algebrei booleene

Continutul: Analiza circuitelor cu porti logice

Obiectivul: In urma acestei activitati veti putea sa determinati functia logica corespunzatoare unui circuit cu porti logice integrate

Enunt: Se dau 2 circuite cu diverse tipuri de porti logice integrate, unul care realizeaza functia f₁, celalalt functia f₂. In urma analizei celor doua circuite:

a)     determinati functia logica pe care o realizeaza;

b)     simplificati functiile obtinute si precizati tipul portilor care pot inlocui circuitele

c)     desenati simbolul portilor identificate la punctul anterior.

Activitatea de invatare 3 Sinteza circuitelor cu porti logice

Competente:

Identifica circuite integrate logice

Implementeaza functii binare simple cu circuite integrate logice

Interconecteaza circuite integrate logice in montaje

Verifica functionarea montajelor

Obiective vizate:

sa implementezi functii logice cu porti logice integrate

sa utilizezi catalogul de circuite integrate digitale

sa calculezi numarul de circuite integrate necesare implementarii

Continutul: Implementarea unei functii logice cu porti logice integrate

Obiectivul: Aceasta activitate va va ajuta sa implementati o functie logica cu diverse tipuri de porti logice integrate si sa alegeti varianta optima de implementare

Enunt: Implementati o functie logica de 2 variabile data in forma elementara,:

Varianta a) cu porti SI, SAU si inversoare;

Varianta b) cu porti SI NU;

Varianta c) cu porti SAU NU;

Varianta d) cu porti SAU EXCLUSIV.

Pentru fiecare varianta de implementare calculati numarul de circuite integrate necesare implementarii, avand la dispozitie catalogul de circuite integrate digitale. La finalul activitatii formulati o concluzie.

Activitatea de invatare 4 Interpretarea datelor de catalog

Competente:

Identifica circuite integrate logice

Implementeaza functii binare simple cu circuite integrate logice

Interconecteaza circuite integrate logice in montaje

Verifica functionarea montajelor

Obiective vizate:

sa identifici particularitatile familiilor de porti logice integrate TTL si CMOS

sa precizezi parametrii portilor logice integrate

Continutul: Parametrii portilor logice integrate din familia TTL si familia CMOS

Obiectivul: Aceasta activitate va va ajuta sa interpretati datele de catalog referitoare la portile logice integrate

Enunt: Avand la dispozitie cataloage de circuite integrate digitale, rezolvati sarcina care va revine prin rostogolirea aleatoare a cubului:

Descrie semnificatia parametrilor: nivelele logice de intrare si de iesire, curentii de intrare si de iesire

Compara caracteristicile portilor logice integrate TTL cu cele ale portilor logice integrate CMOS

Analizeaza influenta timpului de propagare asupra functionarii portilor logice

Asociaza cu valorile de catalog, nivelele logice de intrare si de iesire ale portilor logice integrate din familia TTL, respectiv CMOS

Aplica datele de catalog pentru a completa tabelul de mai jos cu informatii referitoare la configuratia unor circuite integrate din familia TTL, respectiv CMOS:

Argumenteaza existenta marginii de zgomot

III. Glosar

BCD(Binary Coded Decimal) = cod prin care numerele zecimale sunt codate binar pe 4 biti

bit = unitate de masura a informatiei binare

binar = sistem de numeratie cu baza 2

Boole (George) = matematician englez (1815-1864) care a definit algebra booleana (logica)

boolean(a) = caracteristic algebrei booleene

CDB = prefix standard pentru circuitele integrate digitale fabricate in Romania

CMOS(Complementary- Metal-Oxid-Semiconductor) = familie de circuite logice integrate realizate cu tranzistoare unipolare MOS cu canal p si cu canal n

conexiune = legatura

complementare = inversare

convertire= transformare

digital

integrat = circuit realizat printr-o tehnologie .......

logic

LSB (Least Significant Bit) bitul asociat celei mai mici puteri a lui 2 din reprezentarea binara a unui numar

MOS = tranzistor unipolar cu structura metal-oxid-semiconductor

MSB (Most Significant Bit)= bitul asociat celei mai mari puteri a lui 2 din reprezentarea binara a unui numar

pin = conexiune a unui circuit integrat

terminal = conexiune externa a unui circuit

TTL (Tranzistor-Tranzistor-Logic) = familie de circuite logice integrate realizate cu tranzistoare bipolare

IV. Bibliografie

1. Ionescu, Dan. (2007). Retele de calculatoare, Alba Iulia: Editura All
2. Georgescu, Ioana. (2006). Sisteme de operare, Craiova: Editura Arves