اندازه گیری الکتریکی



عنوان تحقیق
اندازه گیری الکتریکی

کنتورهای همگام و همزمان
ساختن کنتور ناهمگام یا ضربه ای (ripple) ، بسیار ساده است، اما به خاطر کار بسیار بالا، محدودیتی در این مورد وجود دارد. این نقطه ضعف، در کنتورهای همگام با راه اندازی مدار دو ضربه ای هماهنگ با ساعت برطرف شده است. لذا دراین کنتور زمان قرار دادن مدار، برابر است با زمان تاخیر انتشار یک مدار دو ضربه ای یک طرفه زمانیکه این کنتور هر مدار دو ضربه ای، همزمان و هماهنگ با ساعت قرار داده شود آن کنتور همگام یا همزمان نامیده می شود.
نمودار مدار کنتور همگام 3 ضربه ای در شکل نشان داده می شود. در این کنتور دو دریچه AND با سه مدار دو ضربه ای T مورد استفاده قرار می گیرد. کلیه مدارهای دو ضربه ای، توسط سیگنال ساعت C به قرار داده می شود. پایانه ورودی T مداد دو ضربه ای A ، با سیگنال سطح بالا تکلمیل می شود، لذا مدار دو ضربه ای A به انتهای هر ضربه (پالس) متصل می شود. ورودی T مدار دو ضربه ای A بالاست و تنها در این مدت، مدار دو ضربه این B متصل می شود. مدار دو ضربه ای C به با دریچه AZ AND تامین می شود. دریچه AZ AND تنها در زمانیکه خروجی های مدار دو ضربه ای B و دریچه A AND بالا باشند، روشن می شود و تنها در طول این مدت مدار دو ضربه ای C متصل می گردد.

شکل : نمودار مدار کنتور همگام 3 ضربه ای
در ابتدا کلیه مدارهای دو ضربه ای، در صفر تنظیم می شوند، بنابراین خروجی ها عبارتند از: QC QB QA = 000 اما تنها در پایان اولین ضربه ای ادواری مدار دو ضربه ای A متصل می شود وخروجی QA از 0 منطقی با 1 منطقی تغییر می کند و همچنین دریچه AI AND را نیز روشن می کند. این امر هیچ تغییری در وضعیت خروجی مدار دو ضربه ای B و مدار دو ضربه ای C ایجاد نمی کند، زیرا ترمینال های ورودی T مدارها دو ضربه ای C,B قبل از رسیدن اولین ضربه ای ادواری در logic 0 منطقی بودند. بنابر این QC QB QA ، 001 می شود، البته پایان اولین ضربه ادواری ترمینال های ورودی T مدارهای دو ضربه ای B,A در ligic 1 هستند. البته قبل از رسیدن دومین ضربه ادواری بنابراین آنها فقط در پایان دومین ضربه ادواری متصل می شوند. لذا دریچه A1 AND خاموش می شود و دریچه AZ خاموش میماند. بنابراین در انتهای دومین دومین ضربه ادواری، خروجی QC QB QA 010 می شود. تنها در پایان سومین ضربه ادواری، مدار و ضربه ای A متصل می شود و خروجی آن به logic 1 تغییر می یابد. آن، دریچه A1 AND را روشن می کند و همچنین AZ AND نیز روشن می شود زیرا حالا ورودی دریچه AZ AND بالا هستند. لذا فقط در پایان ضربه سوم خروجی=011 QC QB QA تنها در پایان چهارمین ضربه ادواری، ورودیهای T کلیه مدارهای دو ضربه ای بالاست بنابراین کلیه مدارهای دو ضربه ای، متصل هستند و خروجی QC QB QA از 011 به 100 تغییر می کند و همچنین هر دو دریچه A2 , A1 AND را خاموش می کند. تنها در پایان پنجمین ضربه ادواری، مدار دو ضربه ای A متصل می شود و خروجی QC QB QA ، 101 می شود. این پروسه با هر ضربه ادواری جدید، طبق جدول ادامه می یابد. درست در پایان ضربه هفتم، خروجی هر مدار دو ضربه ای در logic 1 است و درست در پایان ضربه هشتم کلیه مدارهای دو ضربه ای مجدداً تنظیم می شوند و خروجی QC QB QA ، 000 می شود این چرخه مجدداً تکرار می گردد.
نکته شایان ذکر در این مدار این است ه درست در پایان هشتمین ضربه ادواری، کلیه مدارهای دو ضربه ای در یک زمان تنظیم مجدد می شوند و لذا نصب کنتور برابر است با زمان تاخیر انتشار هر مدار دو ضربه ای. این امر نشان می دهد که کنتور همگام می تواند با سیگنال ادواری فرکانس بالاتر عمل کند و راه اندازی شود.
برخی تفاوتهای جزئی در زمان تاخیر انتشار مدارهای دو ضربه ای و تاخیر ایجاد شده توسط دریچه های AND مورد استفاده در مدار ممکن است، موجب انحراف از همگامی شود، اما این انحراف آنقدر اندک و جزئی است که می توان آنرا نادیده گرفت. در این کنتور، دریچه های AND بر خلاف کنتور ناهمگام مورد استفاده قرار می گیرند، لذا می توان گفت که افزایش سرعت با افزایش هزینه سخت افزار حاصل می گردد.
در کنترهای ناهمگام، در زمان رمز گشایی دریچه ها، از آنها استفاده می شود، به تاخیر زمانی بین سیگنال ادواری و خروجی، سیگنال های QAبین خروجی QA و خروجی QB و بین خروجی QB و خروجی QC ممکن است در خروجی رمز گشایی دریچه های نقایص جزئی را ایجاد سازد، این نقایص و عیوب جزئی، در خروجی رمز گشایی دریچه ها و تنها به مدت چند نانو ثانیه می شوند و حتی نمی توانند روی اسیلوسکوپ دیده شوند. زمانیکه کنتور تنها برای شمارش ضربات مورد استفاده قرار می گیرد، این نقایص جزئی هیچ مسئله و مشکلی ایجاد نمی کنند، اما زمانیکه رمز گشایی دریچه ها برای حرکت دادن مدارهای منطقی دیگر به کار رود این نقایص ممکن است بواسطه واکنش سریع دستگاه های TTL مورد استفاده در مدارهای منطقی، نتایج نادرستی را ایجاد سازند.
این مسئله نقایص جزئی در کنتور همگام بر طرف شده اند، زیرا در این کنتور کلیه مدارهای دو ضربه ای دریک زمان و هماهنگ با ساعت نصب می شوند و لذا هیچ تاخیر زمانی بین سیگنال های خروجی QC QB QA وجود ندارد.

کنتورها یا شمارنده های حلقه ای
در این کنتور، همانطور که از نامشان پیداست، خروجی Q مدار دو ضربه ای و ورودی D مدار دو ضربه ای ردیفی، به طریقی متصل می شود که به شکل یک حلقه به نظر می رسد. نمودار مداری یک کنتور حلقه ای در شکل نشان داده می شود. برای آغاز به کنتور حلقه ای، سیگنال Reset برای کنتور به کار می رود که مدار دو ضربه ای A را از پیش تنظیم می کند و مدارهای دو ضربه ای دیگر مجدداً تنظیم می کند. حالا خروجی مدار دو ضربه ای برای QA بالاست و خروجی های دیگر، پائین هستند، لذا خروجی 0001 = QC QB QA QD حالا قبل از رسیدن ضربه ادواری اول تنها ورودی مدار دو ضربه ای B ، یعنی DB بالاست و کلیه ورودیهای دیگر، پائین هستند. در طول انتقال اولین ضربه ادواری، کلیه سیگنالهای ورودی مدارهای دو ضربه ای به خروجی هایشان منتقل می شوند، لذا خروجی QC QB QA QD ، 0010 می شود، طول انتقال دومین ضربه ادواری، مجدداً کلیه سیگنالهای ورودی مدارهای دو ضربه ای به خروجی هایشان منتقل می شوند، لذا خروجی QC QB QA QD ،0100 می شود، این امر در مورد ضربه ادواری بعدی ادامه می یابد و سیگنال ضربه بالا، از اولین مدار دو ضربه ای به آخرین مدار دو ضربه ای و از آخرین مدار دو ضربه ای به اولین مدار دو ضربه ای و مجدداً به آخرین مدار دو ضربه ای حرکت می کند.
(طبق Truth Table در مورد کنترل حلقه ای).
هر چند که این وسیله، کنتور نامیده می شود، اما برای شمارش در مدارهای دیجیتالی به کار نمی رود. این دستگاه برای تولید توان زمان بندی مربوط به کنترل عملیات منطقی ترتیبی همگام به کار می رود.

شکل نمودار مداری کنتور حلقه ای (جدول ارزش)
QD
QC
QB
QA
Clock
Count Pulse
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
2
1
0
0
0
3
0
0
0
1
Next Cycle 4
0
0
1
0
5
0
1
0
0
6
1
0
0
0
7
0
0
0
1
Next Cycle 8

مدارهای یکپاچه دیجیتال
طبق مباحث قبلی، در یک مدار انتگره، اجزای تشکیل دهنده مثل دیورها، ترانزیستورها، رزیستورها، بوبین ها و غیره قطعات اصلی تراشه به شمار می روند. ورودی سطح این تراشه، که قطعه بسیار کوچکی از یک ماده نیمه رساناست، مدارهای کوچکی با استفاده از تکنیک عکاسی پیشرفته ایجاد می شودند. شبکه حاصل، آنقدر کوچک است که برای دیدن اتصالاتش به میکروسکوپ نیاز داریم.
مدارهای انتگره، دیجیتال، مدارهایی هستند که با کمک اعداد با نیروی (دودویی) 0 و1 کاربردهای منطقی را ارائه می دهند، مثلاً دریچه های منطقی، مدارهای دوتایی، کنتورها و غیره IC های دیجیتالی، در شناخت سیستم های الکترونیکی در زمینه های کاربرد وسایل سنجش، ارتباط کنترل ها و کامپیوترها، معروفترین مورد به شمار می رودند.
با توجه به هزینه کم و عملکرد عالی IC های دیجیتالی به شکل سیستم تک سنگی (مونولیت) امروزه آنها مبتنی بر تکنولوژی مونولیت مورد استفاده قرار می گیرند. ICهای دیجیتالی، مبتنی بر تکنولوژی دخیل در تولید شان می توانند به دو گروه دو قطبی و MOS تقسیم شوند. این انتخاب به استفاده از دستگاه فعال در تشخیص مدار بستگی دارد. ترانزیستور NPN مهمترین وسیله در ICهای دیجیتالی دو قطبی می باشد. و MOSFETهای P,N کانال با مدار بندی متقارن تکمیلی، در ICهای دیجیتالی MOS عمومیت دارند. لذا قطبیت منطقی ICهای دیجیتالی دو قطب همیشه مثبت است، در حالیکه منطقی ICهای دیجیتالی MOS بسته به پیکربندیشان می تواند مثبت یا منفی باشد.
گروه های دو قطبی: ترانزیستورهای دو قطبی روی تراشه در ICهای دیجیتالی ساخته می شوند. تکنولوژی دو قطبی، بر SSI (تلفیق مقیاس کوچک) و MSI
(تلفیق مقیاس متوسط) ارجعیت دارد زیرا سریع تر است.
گروه های دو قطبی دیگر به شرح زیر هستند:
– I منطق ترانزیستور مقاومتی (RTL): این گروه اولین گروه از خانواده مدارهای منطقی بو که در اوایل دهه 1960 به شکل IC بسته بندی شده این تکنولوژی قدیمی شده و تنها از اهمیت تاریخی برخودار است.
– II منطق ترانزیستور دیور (DTL): این گروه پس از RTL ارائه شده از رزیستورها، دیورها و ترانزیستورها استفاده می کند. این تکنولوژی نیز امروزه قدیمی شده است.
– III منطق ترانزیستور – ترانزیستور (TTL): این مورد تقریباً فقط از ترانزیستورها استفاده می کند. این تکنولوژی معروفترین تکنولوژی به شمار می رود و عموماً در تراشه های MSI , SSI کارایی دارد. این تکنولوژی در اوایل هه 1970 ارائه شد.
– IV منطق پیوسته یا مزدوج (ECL): این مورد سریع ترین تکنولوژی در گروه Logic (منطقی) است و در کاربردهای سرعت بالا کارایی دارد.
2- گروه های MOS (نیمه رسانای اکسید نفر) : در این MOSFET , IC ها (ترانزیستورهای تاثیر میدان نیمه رسانا اکسید نفر) به روی تراشه ساخته می شوند. این مورد در LSI (تلفیق مقیاس بزرگ) کارایی دارد زیرا MOSFETهای بیشتری می توانند در یک تراشه مشابه فشرده شوند. گروه های دیگر MOS عبارتند از:
– I MOSFET های P کانال (PMOS): این مورد قدیمی ترین و کندترین نوع تکنولوژی به شمار می رود که درحال حاضر دیگر قدیمی شده است.
II – MOSFET های N کانال (CMOS): در این مورد آرایش کشتی – فشاری
(Pash-Pull) MOSFETهای N,P کانال بوده و در زمانیکه معرف نیروی کم مورد نیاز باشد شدیداً به کار می رود.
منطق اشباع شده و اشباع نشده: مدارهای منطقی که در آنها ترانزیستورها به اشباع می رسند، مدارهای منطقی اشباع شده یا منطقی اشباع شده نامیده می شوند و مدارهای منطقی که از اشباع ترانزیستورهایشان جلوگیری می کنند، منطق اشباع نشده نام دارند. TTL مثالی از منطق اشباع شده است که در آن ECL یک منطق اشباع شده را ارائه می دهد. نقطه ضعف منطق اشباع شده به تاخیر زمانی است که در اشباع ترانزیستور رخ می دهد. مدارهای منطق اشباع شده سرعتهای راه اندازی یا قطع و وصل پائینی در مقایسه با مدارهای منطق اشباع شده دارند.

ویژگیهای مدار انتگره دیجیتالی
گروههای منطقی مختلف که دارای ویژگیهای مختلفی هستند، لذا ممکن است یک گروه یا خانواده برای یک موقعیت بسیار مناسب باشد، اما اگر گروه دیگر در یک موقعیت دیگر کاری داشته باشد مثلاً در موارد خاص ممکن است مصرف نیروی اندک شرط اولیه باشد، در حالیکه در موارد دیگر سرعت، مد نظر باشد.
ویژگیهای مختلف یک خانواده منطقی به شرح زیرند:
1- سرعت عملیاتی : سرعت یک دریچه منطقی به زمانی بستگی دارد که بین کاربرد یک سیگنال تا انتهای ورودی و تغییر حاصل در وضعیت منطقی در ترمینال خروجی، سپری می شود. زمان انتقال (طول مدت بالا و پایین رفتن ضربه) و تاخیرهای انتشار مورد توجه قرار می گیرند. هر دوی این زمانها به خروجی یک دریچه منطقی متصل می شوند و بار بیشتر باید توسط آن خروجی کنترل شود. سرعت عملیاتی بالا، معمولاً نیاز و شرط عمده ICهای دیجیتالی است.
2- ظرفیت ورودی (Fan – in): ظرفیت ورودی یک دریچه منطقی، به تعداد وردیهای (ناشی از مدارهای مشابه) گفته می شود که آن دریچه می تواند به خوبی آنها را کنترل کند.
3- ظرفیت خروجی : در کل یک مدار منطقی باید چند ورودی منطقی را حرکت دهد. ظرفیت خروجی تعداد ماکزیمم ورودیهای منطقی استانداردی است که یک خروجی می تواند با اطمینان آنها را حرکت دهد. مثلاً یک دریچه منطقی که دارای ظرفیت خروجی 8 است می تواند 8 ورودی منطقی استاندار را حرکت دهد. اگر این تعداد بیشتر شود، ولتاژهای سطح منطقی خروجی نمی توانند تضمین شوند.
4- شرایط و نیازهای نیرو و قدرت : هر IC به میزان نیروی الکتریکی نیاز دارد تا بتواند عمل کند. این نیرو توسط یک یا چند ولتاژ شبکه اصلی متصل به پین نیرو روی تراشه، تامین می گردد. معمولاً تنها یک ترمینال شبکه اصلی روی تراشه وجود دارد و با VCC برای دستگاههای VDD برای دستگاههای MOS نشان داده می شود. مصرف نیروی کم به مشخصه مطلوب در هر IC دیجیتال به شمار می رود.
5- مصونیت در برابر پارازیت : میداندهای مغناطیسی و الکتریکی (Stray) می توانند شامل ولتاژهایی روی سیم های اتصال دهنده بین مدارهای منطقی باشند. این سیگنالهای مصنوعی و ناخواسته پارازیت نامیده شده گاهی می توانند منجر به تحریک نادرست سطوح منطقی موجود در مدار شوند. مصونیت در برابر پارازیت یک مدار منطقی به توانایی مدار جهت مقاومت در برابر ولتاژهای پارازیت روی ورودیهایش اطلاق می شود، ارزیابی کمیتی مصونیت در برابر پارازیت، حاشیه پارازیت نامیده می شود. هر چه حاشیه بالاتر باشد مدار منطقی بهتر است.
6- گستره دمای عملیاتی : ICهای دیجیتالی باید بتوانند در دمایی با گستره ای از 0 تا 70 درجه برای مصر ف کنندگان و از تا برای کاربردهای نظامی عمل کنند.
مدارهای RTL
این مدارها یک مدار اشباع شده است و فقط ترانزیستورها و رزیستورها را به عنوان اجزای مدار به کار می برد. البته از رزیستورها در ورودی برای هر پایه استفاده می کند. این خانواده، مبتنی بر مدار NOR است. نمودار مداری آن در شکل نشان داده می شود.
با فرض اینکه هر دو ترانزیستور در زمانیکه هر دو ورودی پائین هستند، مناسب و ایده آل باشند، هر دو ترانزیستور، خاموش می شوند و خروجی به بالا قرار می گیرد. اگر هر یک از ترمینالهای ورودی یا هر دوی آنها بالا باشند یکی از ترانزیستورها یا هر دوی آنها روشن خواهند شد و خروجی پائین خواهد آمد. مشخص است که خروجی تنها زمانی در منطق 1 است که هر دو ورودی در منطق باشند. خانواده RTL دارای ویژگیهای زیر است:
-I سرعت پائین
-II ظرفیت ورودی پائین
-III ظرفیت خروجی پائین
-IV شرایط نیروی بالاتر
-V مصونیت در برابر پارازیت
-VI هزینه بیشتر
این تکنولوژی نیز قدیمی شده است.
مدارهای DTL
این مدار نیز یک منطق اشباع شده است و از دیورها، رزیستورها استفاده می کند. نمونه مدار در شکل نشان داده می شود.

شکل: مدار DTL شکل: مدار RTL

شکل : دریچه TTLNAND اصلی
مدار منطقی DTL ، دریچه NAND است.
زمانیکه ورودیها به سه دیور، بالا باشند، کار نمی کنند و ترانزیستور، توسط جریان ایجاد شده با VCC از طریق R1 روشن می شود، و خروجی پائین می باشد. اگر هر ورودی یا همه آنها پائین باشند، دیور مربوطه کار خواهد کرد، ترانزیستور خاموش خواهد شد و خروجی نیز بالا خواهد بود. مشخص است که خروجی تنها زمانی پائین است که کلیه ورودیها بالا باشند، این خانواده دارای ویژگیهای زیر هستند. I- سرعت عملیاتی محدود، II- ظرفیت ورودی 8 ، III- ظرفیت خروجی 5 ، IV- مصرف نیروی پائین ، V- مصونیت کم در برابر پارازیت ، VI- حساسیت دمای بالا مثبت به ولتاژ آستانه.
طبق مطالب فوق الذکر این تکنولوژی نیز در حال حاضر، قدیمی شده است.

مدارهای TTL
ابزارآلات Texas، منطق ترانزیستور – ترانزیستور (TTL) را ارائه دارد که در سال 1946 گروه دستگاه دیجیتالی دارای موارد استفاده کننده به شمار می رفت. این مورد سریع، گران بوده و استفاده از آ ن آسان است. خانواده TTL از تراشه های SSI و MSI متنوعی تشکیل می شود، با کمک آن همه انواع مدارهای سیستم های دیجیتالی می توانند ساخته شوند.
مدار منطقی TTL اصلی، دریچه NAND است. نمودار مدار در شکل نشان داده می شوند.
متوجه می شویم که زمانیکه ترانزیستور T1 دارای دو گیرنده است، پس دارای دو انشعاب یا اتصال مبنای گیرنده است که می توانند برای روشن کردن ترانزیستور T1 به کار روند. حداکثر هشت گیرنده می تواند در یک ترانزیستور ورودی چند گیرنده ای
در رابطه با دریچه NAND هشت ورودی مورد استفاده قرار گیرد. ویژگی این مدار، آرایش totem – pols ارائه شده توسط ترانزیستورهای T4 , T3 در سمت خروجی مدار می باشد.
حالا نگاهی به عملکرد مدارد می اندازیم. در نمودار مدار، مقاومت R1 و ترانزیستور T1 مثل دریچه AND عمل می کنند ترانزیستور T2 مثل یک معکوس کننده عمل می کند، که خروجی ترانزیستور T1 را معکوس می کند و از این رو مدار مثل یک دریچه NAND عمل می کند. ترانزیستورهای T4 , T3 اتصالات totem – pole را در مرحله خروجی تشکیل می دهند، یا T3 یا T4 در یک زمان روشن می باشد. زمانیکه خروجی، بالا باشد، T3 روشن می شود و زمانیکه خروجی پایین باشد، T4 روشن است. حالا به زمانی توجه کنید که هر دو ورودی B,A بالا هستند. دیورهای گیرنده T1 جریان را متوقف می کنند و دیور کلکتورمستقیم می شود. به این ترتیب پایه ترانزیستور T2 بالا می رود و جریان را آغاز می کند. لذا یک افت پتانیسل در مقاومت R4 رخ می دهد و پایه ترانزیستور T4 اشباع می شود و خروجی پائین را ارائه می دهد. به مورد دیگری توجه کنید، زمانیکه هر دو ورودی یا یکی از آنها پائین باشد، پس پایه T1 تقریباً در 7/0 قرار می گیرد که ولتاژ پایه T2 را تقریباً تا صفر ولت کاهش می دهد. لذا ترانزیستور T2 قطع می شود. ولتاژ پایه T3 بالا می رود و T3 مثل یک زیر سوپاپی (Follwer) گیرنده عمل کرد و خروجی بالا را ارائه می دهد.
کاربرد دیور D1 عبارت است از جلوگیری از جریان اندک T3 در زمانیکه خروجی پائین است. افت ولتاژ در دیور D1 ، موجب با پاس معکوس دیور گیرنده T3 می شود و بنابراین تنها T4 در شرایط خروجی پائین جریان دارد.
ترانزیستورهای totem pole برای کسب آمپدانس خروجی پائین مورد استفاده قرار می گیرند. در طول وضعیت خروجی بالا، T3 جریان می یابد و آمپدانس خروجی را ارائه می دهد. در طول وضعیت خروجی پائین T4 اشباع می شود و در آمپدانس خروجی تقریباً را ارائه می دهد. لذا در هر دو حالت آمپدانس خروجی پائین است این امر تضمین می کند که ولتاژ خروجی از وضعیت سریعاً به وضعیت دیگر تغییر می کند زیرا ظرفیت اضافی (Stray Copacitance) سریعاً از طریق آمپدانس خروجی پایین شارژ یا تخلیه می شود.
ویژگیهای سری TTL استاندارد
اولین IC های TTL توسط ابزار آلات Taxas ارائه شدند. آنها سری 54 و 74 را ارائه دادند که مثل خانواده منطق IC استفاده گسترده ای داشتند. تفاوت اصلی در این دو سری است که سری 54 می تواند در گسترده وسیعی از دماها و ولتاژهای شبکه اصلی عمل می کند. بسیاری از تولید کنندگان دیگر نیز ارائه سری IC را آغاز کرده اند و همگی از سیستم شماره گذاری مشابه استفاده می کنند، به خبر پیشوند (Prefix) سری TTL دارای ویژگیهای زیر است:
1- گسترده ولتاژ بالا: ولتاژ منبع نرمال VCC در مورد هر دو سری 54و54 57 است. سری 54 در گستره 5/4 ولت به خوبی کار می کند. اما سری 74 در گستره ای از 75/4 تا 25/5 ولت خوب کار می کند.
2- گستره دما : سری 54 در دمای محیط گسترده ای از تا به خوبی کار می کند در حالیکه سری 74 تنها در گستره ای از تا خوب کار می کند.
3- (مصرف) اتلاف نیرو : یک دریچه TTL NAND استاندارد میانگین نیروی 10 مینی وات را مصرف می کند.
4- زمان تاخیر انتشار: این زمان تقریباً 9 نانو ثانیه در مورد یک درچه TTL NAND می باشد.
5- تعداد دستگاه : دستگاههای TTL مختلف، می توانند با تغییر دادن تعداد ورودیهای گیرنده چند گانه و خروجی totem Pole طراحی می شوند. در جدول زیر فهرستی ارائه می شود که در آن شماره ICها مشخص می شود و توصیف و تشریح آنها نیز در مقابل هر یک ارائه شده است.
تشریح
شماره IC
دریچه های NAND دو ورودی چهار گوش
7400
دریچه های AND دو ورودی چهار گوش
7402
معکوس کننده شش گوش
7404
دریچه های AND دو ورودی چهار گوش
7408
دریچه های NAND سه ورودی سه گوش
7410
دریچه های AND سه ورودی سه گوش
7411
دریچه های NAND چهار ورودی دوگانه
7420
دریچه های AND چهار ورودی دو گانه
7421
BCO برای رمز گشای اعشاری
7472
مدار دو ضربه ای JK راه اندازی شده حاشیه
7470
مدار دو ضربه ای فرعی – اصلی JK
7472
مدار دو ضربه ای D دوگانه
7474
افزایشگر کامل دو جانبه 4 ضربه ای
7413
کنتور ده تایی
7490

سری دیگر TTL
پس از توسعه عملکرد موفق IC سری TTL 74 استاندارد چند IC سری TTL دیگر نیز ارائه شده اند که دارای ویژگیهای انتخاب نیرو و سرعت می باشد. این سری عبارتند از:
1- TTL نیرو (سری L 74): این سری، دارای مدار پایه مشابه با سری استاندارد 74 می باشد. تنها تفاوت این است که ارزش های کلیه مقاومتهای داخلی به منظور کاهش نیاز نیروی دریچه های TTL افزایش می یابند. از سوی دیگر بواسطه افزایش ارزشها و مقادیر مقاومت داخلی زمان تاخیر انتشار دستگاه افزایش می یابد. امروزه به این سری بواسطه توسعه سری دارای سرعت بالا و مصرف نیروی کم قدیمی شده است.
2- TTL سرعت بالای (سری H74): زمان تاخیر انتشار این سری، در مقایسه با سری 74 استاندارد پائین است. در این سری ارزش ها مقادیر مقاومتهای داخلی سری 74 استاندارد کاهش می یابد که مقدار ثابت زمان داخلی را کاهش می دهد و لذا دستگاه در عمل سریع تر عمل می کند. از سوی دیگر مصرف نیرو بواسطه کاهش ارزش ها مقادیر مقاومت، افزایش می یابد. این سری، بواسطه توسعه و ارائه سری های دیگر قدیمی شده است.
3- TTL شوتکی (سری S 74): این سری، سری S74 نامیده می شود. در سری 74، سری L74 ، سری H 74 ، ترانزیستورها به اشباع عمیقی می رسند که این امر موجب می شود برخی ناقلین اضافی موجب ایجاد تاخیر می شوند، ضمن اینکه باید از پایه به خارج جریان یابند. این تاخیر زمان تاخیر اشباع نامیده می شود. به منظور مشخص شدن تاثیر اشباع عمیق ترانزیستورها زمان تاخیر انتشار، دیور مانع (SBO) Schottky بین پایه کلکتور هرترانزیستور، طبق شکل متصل می گردد.

شکل: دیود شوتکی
SBO دارای یک سیستم V504 است لذا ترانزیستور را از اشباع کامل باز می دارد این روش زمان تاخیر اشباع را روشن می کند و راه اندازی ترانزیستور سریع تر انجام می گردد. جهت کاهش بیشتر زمان تاخیر انتشار مقاومتهای پائین در مدار مورد استفاده قرار می گیرند لذا مصرف نیرو (اتلاف نیرو) در این سری بالا است.
4- TTL شوتکی کم نیرو (سری LS74) : در این سری سازش و توافق بین نیاز به نیروی کم و سرعت بالا با استفاده از مقاومتهای داخلی بالا حاصل می گردد.
5- TTL شوتکی پیشرفته (سری AS 74): توسعه های اخیر در زمینه طراحی IC کاهش بیشتر زمان تاخیر انتشار دستگاه های TTL را امکانپذیر کرده اند. این سری از سری S 74 TTL بسیار سریع تر است و نیاز به نیروی اندک دارد. لذا سری AS 74 TTL در کاربردهای سرعت بالا در جای سری S74 را می گیرد.
6- TTL شوتکی کم نیروی پیشرفته (سری ALS74) : این سری، کاهش بیشتری را در اتلاف نیرو و زمان تاخیر انتشار در سری LS74 ارائه می دهد.
مقایسه سری های TTL
جدول زیر زمان تاخیر انتشار و مصرف نیرو (اتلاف نیرو) در کلیه سریهای TTL را مقایسه می کند.
(مقایسه ویژگیهای سری )TTL Comparison of TTL Series Characteristics
ویژگیها
74
74L
74H
74S
74LS
47AS
74ALS
زمان تاخیر انتشار (ns)
9

33

6

3

9.5

1.7

4
مصرف نیرو (mw)
10
1
23
20
2
8
1.2
مدارهای CMOS
دستگاههای نیمه رسانا اکسید نفر منفی تراشه هایی هستند که در آنها MOSFETهای N کانال و P کانال با آرایش کشتی – فشاری متصل می شوند. مزایای عمده CMOS در دستگاههای TTL به شرح زیرند:
1- ساخت این دستگاهها، ساده و ارزانتر است.
2- به لحاظ سایز، کوچکند و نیروی بسیار کمی مصرف می کنند.
3- ساخت IC های MOS ، مثل IC های TTL پیچیده نیست.
4- IC های MOS طبیعتاً از اجزای مقاومت IC استفاده نمی کنند، لذا امکان کمتری را در یک تراشه اشغال می کنند.
بهمین دلیل ICهای MOS در VLSI , LSI به کار می روند.
نقطه ضعف عمده ICهای MOS این است که دارای سرعت عملیاتی پائین، در مقایسه با ICهای TTL می باشد.
1- معکوس کننده CMOS: نمودار معکوس کننده CMOS پایه در شکل نشان داده می شود. در این مدار معکوس کننده CMOS دارای دو MOSFET متصل شده به شکل متوالی است. آنها طوری متصل شده اند که منبع دستگاه P کانال T1 به منبع ولتاژی Ve+ ، VDD+ متصل می شود و منبع دستگاه N کانال T2 به زمین متصل می گردد. دریچه های هر دو دستگاه به یک ورودی مشترک متصل می شوند. ترمینالهای تخلیه هر دو دستگاه به شکل یک خروجی مشترک به هم وصل می شوند.

شکل : نمودار مدار معکوس کننده CMOS
حالا زمانی را در نظر بگیرید که ورودی در سطح پائین نگه داشته می شود، مثلاً در 0 ولت، پس دریچه MOSFET T1 در پتانسیل Ve- مربوط می باشد. بنابراین T1 با مقاومت روشن خواهد شد، در حالیکه دریچه T2- در پتانسیل صفر مربوط به منبع نور خواهد بود. لذا T2 با مقاومت خاموش خواهد شد. هر دوی این مقاومتها، مثل یک تقسیم کننده عمل می کنند و خروجی این مورد تقریباً tVDD ولت خواهد بود. در مورد دیگر، زمانیکه ورودی در سطح بالا مثلاً در tVDD ولت باشد دریچه MOSFET T1 در پتانسیل صفر مربوط به منبع نور می باشد، لذا T1 با مقاومت خاموش خواهد شد، در حالیکه دریچه T2 در پتانسیل tve مربوط به منبع خود است، لذا T2 با مقاومت روشن خواهد شد. در این مورد خروجی، تقریباً صفر ولت خواهد بود. بنابراین مدار نشان داده شده در شکل به عنوان یک معکوس کننده عمل می کند.
2- دریچه NOR CMOS : نمودار مدار دریچه NOR دو ورودی در شکل نشان داده شده می شود. در این مدار یک MOSFET P کانال ، شکل متوالی اضافه می شود و یک MOSFET N کانال به شکل موازی به معکوس کننده پایه اضافه میشود.
در مورد اول وقتی دو ورودی در سطح پائین هستند، هر دو MOSFET P کانال T2,T1 روشن و هر دو MOSFET N کانال T3 , T4 خاموش خواهند بود، که این امر خروجی بالا ار ارائه خواهد داد. در مورد دیگر زمانیکه هر دو ورودی یا یکی از آنها در سطح بالا باشند، MOSFET های P کانال و MOSFET های N کانال مطابق با ورودی سطح بالا به ترتیب خاموش و روشن خواهند بود، لذا خروجی سطح پائین را ارائه می دهند. بنابراین مدار شکل به شکل یک دریچه NOR عمل می کند.

شکل: نمودار مدار دریچه NOR شکل: نمودار مدار ردیچه NAND
3- دریچه NAND CMOS: نمودار دریچه NAND دو ورودی در شکل نشان داده می شود. در این مدار یک MOSFET P کانال به شکل موازی و یک MOSFET N کانال به شکل موازی متوالی به معکوس کننده اصلی متصل می شود. در حالت اول زمانیکه ورودی در سطح پائین باشند، MOSFET های P کانال خاموش و MOSFET های N کانال روشن خواهند بود و خروجی سطح پائین را ارائه می دهند.
در حالت دیگر هم زمانیکه هر دو ورودی یا یکی از آ نها در سطح پائین باشند، MOSFET P کانال و MOSFET N کانال مطابق با ورودی سطح پائین، به ترتیب روشن و خاموش خواهند بود و این امر خروجی بالا را ارائه می دهد.
لذا مدار شکل به شکل یک دریچه NAND عمل می کند. دریچه های AND CMOS و CMOS OR می توانند با ترکیب دریچه های NOR , NAND با معکوس کننده تشکیل شوند.
سری CMOS
1- سری 14000/4000: سری CMOS 4000 ارائه شده توسط CRA و سری COME 4000 ارائه شده توسط Motorola اولین سریهای CMOS بودند در حال حاضر سری 4000 با علامت A 4000 به نام سری معمولی (Convrntional) ارائه می شود. و سری B 4000 با تغییرات پیشرفته نیرو وجود دارد که دارای قابلیتهای جریان خروجی بالاتر بوده و دستگاه نوع buffered نامیده می شود. این سریها، موارد استفاده گسترده ای داشته و دارای کاربردهای بسیاری هستند که در سریهای دیگر قابل دسترس نیستند. نقطه ضعف اصلی این سریها این است که در آنها پین به پین و کاربرد به کابرد سازگار با دستگاههای TTL وجود ندارد.
2- سری C 74: این سری توسط National Semi – Conductor Coporation ارائه شد و پین به پین و کاربرد به کاربرد (تابع به تابع) سازگار با دستگاههای TTL دارای مشابه می باشد. لذا این مورد جایگزین دستگاههای TTL با دستگاههای CMOS معادل را امکانپذیر می سازد. ویژگیهای عملکرد این سری، مثل ویژگیهای سری 4000 می باشد.
3- سری C 54: این سری به سری C 74 شباهت دارد با این استثنا که این دستگاهها می توانند در دماهای بسیاری به کار می روند. این سری معولاً بواسطه هزینه بالاتر به مقاصد بازرگانی مورد استفاده قرار نمی گیرد. این دستگاهها معمولاً دارای کاربردهای نظامی و فضایی هستند.
4- سری HC74 : این سری، شکل پیشرفته سری C 74 می باشد. زمان تاخیر انتشار این سری در مقایسه با سری C 74 کمتر است، از اینرو این سری می تواند در مورد فرکانس بالاتر مورد استفاده قرار گیرد. سرعت این سری با سرعت سیری LSTTL 74 سازگار است. مزیت دیگر این است که دارای قابلیت جریان خروجی بالاتری می باشد.
5- سری HCT 74: این سری نیز یک سری CMOS سرعت بالاست – تفاوت عمده میان این سری و سری HC74 این است که این سری دارای ولتاژ سازگار با دستگاههای TTL می باشد. لذا این دستگاهها می توانند مستقماً توسط دستگاههای TTL راه اندازی شود.
ویژگیهای سری CMOS
برخی از ویژگیهای عملکردی و عملیاتی سری CMOS به شرح زیر می باشند:
1- ولتاژ منبع : سری 4000 و سری C74 با منبع نیروی 3 تا 15 ولت، و سری
HC 74 و HCT74 با منبع 2 تا 6 ولت عمل می کنند.
زمانیکه سری TTL , CMOS با هم مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً ولتاژ منبع، 5 ولت است، طوریکه یک منبع نیرو می تواند برای هر دو نوع دستگاه به کار رود.
2- گستره گرما : سری C 74 در دمای محیط با گستره ای از تا به خوبی کار می کنند و این امر برای اغلب کاربردهای بازرگانی مناسب است. اما سری می توانند در دمایی با گستره ای از تا عمل کنند.
3- مصرف (اتلاف) نیرو : زمانیکه مدار منطقی CMOS در وضعیت ثابتی باشد، مصرف نیرو در این سری، بسیار کم است، التبه در زمانیکه در هر یک از وضعیتهای خروجی دریچه، مقاومت بالا بین زمین و منبع موجود باشد. لذا مصرف نیروی CMOS تنها NW 5/2 در هر دریچه است. بهمین دلیل CMOS بسیار کاربرد دراد. زمانیکه یک خروجی CMOS از وضعیت پائین به وضعیت بالا یا بالعکس تغییر می کنند مصرف نیروی میانگین افزایش می یابد، ضمن اینکه در طول انتقال بین دو وضعیت، هر دو MOSFET در یک دوره کوتاه جریان می یابند و این امر Spike (سیگنال الکتریکی گذرا) جریان منبع ایجاد می کند. در طول این انتقال یک جریان متغییر، ظرفیت باری را تامین می کند که متشکل از ظرفیت ورودی مرکب هر یک از بارهای حرکت داده شده و ظرفیت خروجی خود دستگاه می باشد. بدیهی است ضمن اینکه فرکانس راه اندازی افزایش می یابد، در هر ثانیه، Spike های جریان بیشتری وجود خواهد داشت. لذا جریان میانگین حاصل از منبع نیرو افزایش می یابد. یک دریچه CMOS NAND همیشه نیروی nw10 را با جریان بیرون می کشد (draw) و نیروی mw 1/0 را در زمانی draw می کند که در فرکانس KH2100 عمل می کند. بنابراین CMOS در فرکانس بالاتر، برخی از مزایایش بر TTL را از دست می دهد.
4- زمان تاخیر انتشار: یک دریچه CMOS استاندارد، دارای زمان تاخیر اتنشار تقریباً 25 تا 100 نانو ثانیه بسته به ولتاژ عملیاتی و عوامل دیگر می باشد. دریچه NAND سری 4000 دارای سازمان تاخیر انتشار ns 50 در =VDD 5 ولت و ns 25در 107 VDD = می باشد. این امر نشان می دهد که VDD باید جهت عمل در فرکانس بالاتر، حتی الامکان بالا باشد اما این امر مصرف نیرو را در دستگاه افزایش خواهد داد.
دریچه NAND سری HCT74 یا HC74 دارای زمان تاخیر انتشار 8ns در 57 VDD= می باشد، که قابل مقایسه با سرعت سری LS74 است.
5- تاثیر پذیری شارژ ا ستاتیکی یا بار ساکت: مقاومت ورودی بالای ورودیهای CMOS بواسطه لایه نازک دی اکسید سیلسیم بین ردیچه و ماده اصلی زیر بنا، یکی از ویژگیهای آن به شمار می رود. این لایه عایق، بر جهت تسهیل کنترل ردیچه بر جریان تخلیه باید حتی الامکان نازک باشد. لذا به راحتی توسط ولتاژ بیش از حد دریچه خراب می شود. این سریها توسط ایجاد شارژ استاتیکی، خراب می شوند لذا دستگاههای CMOS باید با قرار دادن دیودهای Zener محافظ روی هر ورودی در برابر شارژ استاتیکی محافظت شوند.

فهرست مطالب
عنوان تحقیق 0
اندازه گیری الکتریکی 0
کنتورهای همگام و همزمان 1
کنتورها یا شمارنده های حلقه ای 5
مدارهای یکپاچه دیجیتال 7
گروه های دو قطبی: 8
2- گروه های MOS (نیمه رسانای اکسید نفر) 9
منطق اشباع شده و اشباع نشده: 9
ویژگیهای مدار انتگره دیجیتالی 10
1-سرعت عملیاتی : 10
2-ظرفیت ورودی 10
3-ظرفیت خروجی 10
4-شرایط و نیازهای نیرو و قدرت : 11
5-مصونیت در برابر پارازیت 11
6-گستره دمای عملیاتی 12
مدارهای RTL 12
مدارهای DTL 13
مدارهای TTL 15
ویژگیهای سری TTL استاندارد 17
1-گسترده ولتاژ بالا: 17
2-گستره دما 17
3- (مصرف) اتلاف نیرو : 17
4-زمان تاخیر انتشار: 18
5-تعداد دستگاه 18
سری دیگر TTL 19
مقایسه سری های TTL 21
مدارهای CMOS 21
ویژگیهای سری CMOS 27

2