Bölüm 2 Konular Lojik Entegrelerin Sınıflandırılması RTL DCTL Fan out Gürültü aralığı

Lojik entegrelerin sınıflandırılması 1) Gördükleri fonksiyon bakımından sınıflandırma 1. Küçük Boy Entegreler (Small Scale Integration-SSI ) Kapı sayısı 10’u aşmaz 2. Orta Boy Entegreler (Medium Scale Integration-MSI ) 10-100 arası kapı sayısı Kodlama, kod çözme toplama gibi temel dijital işlemler - Decoder 3. Büyük Boy Entegreler (Large Scale Integration-LSI ) 100-1000 arası kapı sayısı Mikroişlemci, bellek ve programlanabilen lojik cihazlar – PLA - FPGA (Programmable Logic array –Field Programmable Gate Array)

Lojik Entegrelerin Sınıflandırılması 4. Çok Büyük Boy Entegreler (Very Large Scale Integration - VLSI ): 1000 kapı sayısı Bellek ve mikroişlemci 5. Ultra Büyük Boy Entegreler (Ultra Large Scale Integration-ULSI ): 100.000 kapı sayısı Gelişmiş bellek ve mikroişlemci 6. Giga Büyük Boy Entegreler (Giga Large Scale Integration-GLSI ): 1.000.000 kapı sayısı Çok yüksek frekanslı CPU –P4

Lojik entegrelerin gelişim tarihi 8080-8086: Sinyalizasyon için kullanılmış (8 bit) 286 : İlk PC işlemcisi 386 : PC işlemci 486 : Matematik işlemcisi içinde olan ilk CPU Pentium ailesi : 32 bitlik ve en fazla 2048 MB RAM adresliyor. Itanium II : 64 bitlik mimari

İLK BİLGİSAYAR

Lojik Entegrelerin Gelişim Tarihi İlk Transistör, Bell Lab., 1948

Lojik Entegrelerin Sınıflandırılması Motorola’nın ürettiği ilk entegre - 1960 3 girişli ECL kapısı

Lojik Entegrelerin Gelişim Tarihi Bir entegrenin iç görünümü (Büyütülmüş resim)

Lojik Entegrelerin Gelişim Tarihi Intel 4004 – Mikro işlemci 1971 1000 transistors 1 MHz operation

Lojik Entegrelerin Gelişim Tarihi Intel Pentium (IV) microişlemci

Lojik Entegrelerin Sınıflandırılması 2) Üretildikleri Teknoloji bakımından RTL (Resistor -Transistor Logic) DTL (Diode -Transistor Logic) TTL (Transistor-Transistor Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) MOS (Metal- Oxide Semiconductor) CMOS (Complementary MOS)

RTL (Resistor-Resistor Logic) RTL Kapısı İlk ticari ailedir. Yeni tasarımlarda nadiren kullanılmaktadır. Dijital kapıların temel işleyişini anlamak için konu kapsamına alınmıştır. RTL’lerin temel devresi NOR kapısıdır. OR kapıları da mevcuttur. RTL’ler aşamalı olarak yerini DTL’lere bırakmışlardır

RTL kapısı Temel inverter Her giriş bir direnç ve bir transistörle bağlıdır. Transistörün kollektörleri çıkışta birbirine bağlıdır. Gerilim düzeyleri; Low = 1V , High = 3.6 V. Temel inverter

RTL kapısı Girişlerinden birisinin yüksek (1) olması halinde, ilgili transistör doyuma gider. Bu durumda diğer transistörlerin durumu ne olursa olsun ÇIKIŞ = 0 olur. Bütün girişlerin alçak düzeyde ( 0.2 V. ) olması halinde bütün transistörler kesilir, ÇIKIŞ = 1 olur.

RTL kapısı Dört girişli RTL OR/NOR kapısı ve NOR kapısı (b) NOR kapısı (a) OR/NOR kapısı

DCTL (Direct Coupled Transistor Logic) Direk Kuplajlı Transistör Lojik - ( DCTL ) DCTL, RTL kapısının beyz dirençleri çıkarılmış halidir. Giriş bağlantıları transistörlerin beyzine doğrudan yapılmıştır. Yaygın bir şekilde kullanılmamaktadır. DCTL NOR kapısı

DCTL G11 , G12 , ............ , G1N hepside birer NOR kapısıdır. G11 ‘in girişine Vİ sinyali uygulanmıştır. G11 ‘in çıkışı G21 ‘in girişini beslemektedir. G11 iletime geçince (üç girişinden herhangi birisi yüksek olması kafidir.) G21 kesime gider. Bu durumda V0 = 0.2 V. olur. Bu gerilim değeri G21 ‘in iletimde olabilmesi için gerekli VBE polarma gerilimini (0.7 V. ) sağlayamaz.

DCTL DCTL kapılarının giriş ve çıkışındaki voltaj seviyelerini belirleyelim.... Go ‘daki bütün girişlerin ilgili transistörü sıfırda tutacak kadar küçük olduğunu düşünelim. Bu durumda T1 , T2 ,.........., TN transistörleri doyuma gidecektir. Doyum anında VBEsat = V = 0.75 V. dur.

DCTL O halde RC ‘deki akım ; bulunur. Buna göre T1 , T2 ,.........., TN transistörleri birbirlerine özdeş ise, her biri için beyz akımı ; Burada G0 kapısının kolektöründeki gerilim değeri de V = 0.75 V. dur. G11 ‘in girişlerinden en az bir tanesinin lojik 1 seviyesinde bulunmasıyla; çıkışı V0 = lojik 0 (VCE = VCEsat ) seviyesinde olur.

DCTL’nin Dezavantajları 1) Direk bağlantı yüzünden, beyz akımı hemen hemen kollektör akımına eşittir. Doyuma bu kadar ağır sürülmüş bir transistörün anahtarlama hızı azalmaktadır. 2) Lojik durum değişimleri için gerekli olan voltaj darbeleri çok küçük olduğundan (Si için 0.6 V. ) gürültü darbeleri problem olmaktadır.

DCTL’nin Dezavantajları 3) Yeterince yüksek sıcaklıktaki toplam ICBO .RC voltaj düşüşü yeterli miktara ulaşırsa, Y çıkışı; fan-out transistörlerini doyuma süremeyecek kadar düşer.

DCTL’nin Dezavantajları 4) Transistörlerin değişik voltajlarda doyuma ulaşması Transistörlerin özdeş olmayışı Kılıflama farklılıkları Çalışma sıcaklıklarının farklılığı Harcadıkları güçler farklılığı

Transistörlerin değişik voltajlarda doyuma ulaşması : T1 için V = VBEsat = 0.74 V. dur. T2 için V = VBEsat = 0.76 V. dur. Bu durumda T1 önce doyuma ulaşıp T2 ‘nin yeterince akım çekerek doyuma ulaşmasını belki önleyebilecektir. Şekil 2.4 DCTL kapılarında farklı akım çekme isteği

DCTL’nin Avantajları Düşük voltajlı bir kaynakla çalışır. (1.5 V. gibi.) Düşük kırılma voltajlı transistörler kullanılabilir. Güç kaybı azdır.

RTL kapısı DCTL kapısındaki fazla akım çekme problemi, RTL kapılarında her bir transistörün beyzlerine seri bir direnç bağlanmakla önemli ölçüde azaltılmıştır. Bu dirençlerin tipik değerleri Rb = 450 , RC = 640 olarak bulunmuştur. Kaynak voltajı = 3 V. tur.

RTL kapısı Burada bir tek Vİ girişinin fonksiyonu olarak V0 çizilmiştir VCEsat = 0.2 V. , hFC = 0.1 , hFE = 50 , (Formül 1.19) T2 kesimdeyken RTL kapısının giriş çıkış karakteristiği.

RTL kapısı Beyzin aşırı sürülmesinin bir fonksiyonu olarak VCEsat doyum voltajı.

RTL RTL kapısı T01 doyumda iken, kollektör akımı ; Formül 1.19 ‘dan IB çekilirse ; Vİ hesaplandığında;

FAN-OUT FAN OUT Nedir? Bir lojik kapı tarafından sürülen kapı miktarıdır Fan - Out sınırlıdır. VCC kaynağı tarafından ve kollektör direnci üzerinden sağlanan akım, OHM Kanunu kuralları ile sınırlıdır. Şimdi Şekil 2.7 ‘deki Fan-Out ‘u hesaplayalım ;

FAN-OUT Farzedelim ki VBE1 ; VBE2, VBE3 , ….VBEN’den 0,1V daha büyük olsun. Bu durumda IB1‘inde IB2 , IB3 ,.... , IBN ‘den küçük olması gereğini dikkate alırız. Buradan hareketle, V0 bütün transistörler için ortak olduğundan T12 , T13 , ...., T1N ‘in beyz akımları T11 ‘in beyz akımından: daha büyüktür Buna göre ; Şekil 2.7

FAN-OUT Denklem 2.6 dan ; bulunmuştu. Sürücüden çıkan maksimum I0 akımı ; bulunur. Şekil 2.7

FAN-OUT Fan-Out N olduğuna göre ; N=11 bulunur. (Oda sıcaklığında hesaplanan bir rakamdır. ) Şekil 2.7

FAN OUT ne zaman azalır? Sıcaklığın düşmesi durumunda; VBE ‘nin sıcaklığa olan hassasiyetinden dolayı, hFE ‘nin değerinin azalması ile -55 C de Fan-Out; N = 7 olmaktadır! Sızıntı akımlarından dolayı; Çıkış; Lojik 1 olduğu zaman G0 kapısındaki T01 ve T02 transistörleri kesimdedir. Ancak RC direnci üzerinden sızıntı akımı akıtmaktalar. G0 ‘ın 3- girişli bir kapı olduğunu ve sızıntı akımı da en az 75A. olduğunu varsayalım. Şekil 2.7

FAN-OUT Sızıntı akımı = 3x75A=225A olur. Bu değer, aynı RC üzerinden aktığı için çıkıştaki Fan-Out sayısını en az bir tane azaltacaktır! Şekil 2.7

Fan-Out ‘u 5 olan bir RTL kapısının transfer karakteristiği Şekil 2.8 - G0 OFF olduğunda V0 ‘ ı hesaplamak için kullanılan devre.

Fan-Out ‘u 5 olan bir RTL kapısının transfer karakteristiği Alttaki eşdeğer devreyi Şekil 2.7 ‘nin Fan-Out ‘unu 5 kabul edersek birbiriyle bağlaştırabiliriz. Vİ = 0 olduğunda V0 = 1 olur. Bu durumda T11 , T12 , T13 , T14 , T15 kapıları doyumda olur. Doyumdaki bir transistörde oda sıcaklığında VBEsat = V  = 0.75 V. tur. Farklı sıcaklıklarda bu değer; Şekil 2.7 Şekil 2.8

Fan-Out ‘u 5 olan bir RTL kapısının transfer karakteristiği V0 ‘ı hesaplanması istenirse Şekil 2.8 ‘den yine faydalanılabilir. (450 / 5 = 90 olduğundan ) (2.12) Şekil 2.8

Fan-Out ‘u 5 olan bir RTL kapısının transfer karakteristiği Kataloglarda transistörlerin özellikleri çeşitli sıcaklıklar için verilir. Bu sıcaklık değerleri -55 C , 25 C , 125 C dir. V0 değerleri bu üç sıcaklık için formül (2.11) ve (2.12) kullanılarak hesaplanabilir ; Mesela ; 25 C için hesaplayalım : Bu değeri (2.12) ‘ de yerine koyalım.

Fan-Out ‘u 5 olan bir RTL kapısının transfer karakteristiği (2.12) bulunur. V0 ‘ ın diğer sıcaklıklardaki değerleri : (2.13) Giriş voltajı = Vİ ‘yi 0‘ dan itibaren artırırsak öyle bir noktaya erişilirki, o noktada T01 transistörü aktif bölgeye girer.

Gürültü Aralığı T=25 C de kesimdeki transistörün aktif bölgeye girebilmesi için 0.65 V’luk bir voltaja ihtiyaç vardır. Gürültü aralığı, 0 = 0.65 - 0.2 = 0.45 V. T=125 C de kesimdeki transistörün aktif bölgeye girebilmesi için 0.45 V’luk bir voltaja ihtiyaç vardır. Gürültü aralığı, 0 = 0.45 - 0.2 = 0.25 V. Şekil 2.9

Gürültü Aralığı SONUÇ : Sıcaklık arttıkça 0 gürültü aralığı azalmaktadır. Aynı durum yatay eksen içinde geçerlidir. Yatay eksende de lojik 1 seviyesindeki bir giriş için 1 gürültü aralığı gösterilmiştir. T= -55 C de gürültü aralığı, 1 = 1.17 - 0.96 = 0.21 V. T=25 C de gürültü aralığı, 1 = 1.03 - 0.8 = 0.23 V. T= 125 C de gürültü aralığı, 1 = 0.85 - 0.6 = 0.25 V. bulunur. Transistörü doyumda tutabilecek en küçük çıkış Çıkış SONUÇ : 1 gürültü aralığı sıcaklığa hassas değildir.

Çalışma voltajının özellikleri 0 ve 1 gürültü bağışıklığını gösteren giriş-çıkış karakteristiği.

Çalışma voltajının özellikleri VOH =Transistör kesimde iken bir kapının çıkışında bulunacak minimum voltaj. VİH = Transistörü doyumda tutacak minimum kapı giriş voltajı. VOL = Transistör iletimde iken, bir kapının çıkışında bulunacak olan maksimum voltaj. VİL = Transistör kesimde iken, çıkışı lojik 1 seviyesinde tutacak maksimum giriş voltajı. 0 = VİL –VOL 1 = VOH -VİH

Gürültü Aralığı İmalatçılar gürültü aralıklarını bazen de değişik biçimlerde verebilirler.

Gürültü Aralığı Örnek 2.1 25 C de çalışan bir RTL kapısı için, imalatçı tarafından en kötü durum parametreleri şöyle verilmiştir : VOH = 844 mV. VOL = 265 mV. VİH = 815 mV. VİL = 565 mV. Buna göre 0 ve 1 gürültü aralıklarını hesaplayınız. ÇÖZÜM 0 = VİL -VOL = 565 - 265 = 300 mV. 1 = VOH -VİH = 844 - 815 = 29 mV.

RTL için yükselme süresi (Rise Time) VBE‘nin yükselme zamanı

RTL için yükselme süresi - (Rise Time) Eşdeğer devrede N=5 adet kapı sürüldüğünü farz edelim. T01 transistörü için Vİ ‘nin aniden 1 durumundan 0 durumuna düştüğünü varsayalım. T01 kesime girer ve T11’ den T15 ‘e kadar olan çıkıştaki 5 transistörün Beyz-Emiter voltajı bir zaman sabitiyle yükselir. İmalatçılar genellikle C = 5 pF olarak verirler. Buradan  = 18 ns. bulunur. Transistörlerde giriş kapasitesi sabit değildir. Beyzden akan akımın bir fonksiyonudur.

RTL EX-OR Kapısı B girişi = lojik 0 ise T2 = OFF T3 = girişi A dır B girişi = lojik 1 ise T2 = DOYUMDA T3 = KESİMDE ‘dir. a) RTL kullanılan bir EX-OR kapısı b) Kapının lojik olarak gösterimi c) EX-OR devresinin sembolü.

Giriş terminal sayısını arttırmak için RTL kapıları paralel bağlanabilir... Şekil 2.14 Aynı kırmık üzerinde iki kapının paralel bağlanması Paralellik kollektör direncini 2 faktörüyle azaltmaktadır: Burada dikkat edilmesi gereken husus şudur : RC direncindeki azalma, IC akımında artışa sebep olacaktır. Sonuçta, transistörler ağır bir şekilde doyuma sürülmüş olacaktır. Bundan dolayı RB direnç değerinin dikkate alınması gerekmektedir.

Yayılma Sürelerini Azaltmak İçin Yük Kompanzasyonu Yayılma gecikmesi, transistörün ON ‘dan OFF ‘a veya OFF ‘tan ON ‘a geçişi esnasında meydana gelir. Bunun belli başlı iki sebebi vardır : Kapının girişi tam karedalga değildir. Transistör jonksiyon kapasitelerinin şarj ve deşarj olabilmesi için zamana ihtiyaç vardır. Tipik olarak RTL kapılarında yayılma gecikmesi süresi 10ns. kadardır. Ancak RTL kapılarının gürültü aralıkları azdır. Fan-out ‘ları da düşüktür ( 5 gibi) .

Yayılma Sürelerini Azaltmak İçin Yük Kompanzasyonu ON ve OFF ‘a geçişi hızlandırma için Rb direnci C kapasitörü ile köprülenmiştir. V1 ‘in lojik 0 olması, C kapasitörünün bir ucunun ( + ) toprağa bağlanması demektir. Bu durumda C boşalırken Beyz-Emiter arasında bir ters akım akıtmak ister ve transistör çabuk kesime gitmiş olur. Burada kondansatör olmadığını düşünelim : Vİ = 0 olduğunda (giriş toprağa bağlandığında) beyz sadece toprak potansiyelinde olacaktır. Kondansatör bağlı durumda ise beyze kondansatördeki şarj gerilimi kadar negatif gerilim gelecektir. Şekil 2.15 . a. Yük kompanzasyonu sağlamak için kapasiteler ilave edilen bir RTL kapısı

Yayılma Sürelerini Azaltmak İçin Yük Kompanzasyonu Kondansatörler entegre içinde çok yer işgal ettiklerinden dolayı kullanılmazlar. Kondansatör yerine transistörlerin Beyz-Emiter jonkisyon kapasitelerinden yararlanılır.