HARDWARE DERSANESİ

• Kurslar ve dersler

Merhaba sevgili okurlar. Geçen ay entegre tiplerinden TTL grubunda kalmıştık. Bu ay kaldığımız yerden devam edeceğiz.

TTL DEVRELER

TTL entegre devreler günümüzde en çok çeşide sahip olan ve en fazla kullanılan entegrelerdir. Değişik serileri vardır. En çok kullanılan seri 7400'le başlayan seridir. Bu seri TEXAS INSTRUMENTS tarafından üretilmektedir. Biz de, TTL'leri tanırken bu seriyi kullanacağız.

TTL KARAKTERİSTİKLERİ: Lojik tip : Akım yutmalı İletim gecikmesi : 10 nanosaniye Güç tüketimi : 10 miliwatt Yüklenebilirlik : 10 Gürültü bağışıklığı : Yüksek Lojik seviyeler : 0 için +0,4 volt

1 için +3,6 volt Temel kapı tipleri : Pozitif NAND

Negatif NOR Besleme gerilimi : Vcc +5 volt

(% 10 tolerans)

ALÇAK GÜÇLÜ TTL'LER: Standart TTL'lerden farkları, sadece devredeki dirençlerin yaklaşık 10 kat büyük yapılmış olmalarıdır. Tüketilecek güç onda birine düşmüştür. Minimum güçle yüksek hızı gerektiren uygulamalar için çok elverişlidirler. İç dirençlerin büyümesi, iletim gecikmesini arttırır. Bu tip devrelerde gecikme, yaklaşık 30-40 nanosaniye dolaylarındadır. Alçak güç tüketimi için yüksek hızdan vazgeçilir.

YÜKSEK GÜÇLÜ TTL'LER: Esas olarak standart TTL devrelerle aynıdırlar. Çalışma hızını arttırmak için

devredeki direnç küçültülür. Kapılardaki iletim gecikmesi yaklaşık 6 nanosaniyelere kadar düşürülmüş, tüketilen güç ise, iki kat artmıştır. Kapı başına tüketilen ortalama güç 22 milliwatt'tır. Yüksek güçlü TTL'lerin yerini daha yeni Schottky TTL devreler almıştır. Bunlar hem hızlıdırlar, hem daha az güç tüketirler.

SCHOTTKY TTL'LER: TTL devrelerde transistörler doyma modunda çalıştırılırlar. Daha yüksek çalışma hızlarına ulaşmak için doymasız transistörler kullanılmalıdır. Schottky TTL devrelerde hızı arttırmak için yapılan budur.

Schottky TTL kapı devreleri standart TTL kapı devrelerine benzer. Başlıca değişiklik, transistörleri doymadan uzak tutmak için her birinin baz ile kollektörü arasına diyotlar bağlanmış olmasıdır.

Transistör iletime başladığında, kollektör gerilimi hızlı bir şekilde düşer. Belirli bir değerin altına indiğinde diyot iletir, baz kollektör jonksiyonuna paralel gelmiş olur. Kollektör geriliminin jonksiyonun ters kutuplanması için yeterli seviyede kalmasını sağlar.

Doymayı önleyen bir kilitlenme sağlamak için kullanılan diyot Schottky diyotudur. Bu tip diyot, diğer yarı iletken diyotlara benzemez. PN jonksiyonu değildir. Altın veya alüminyum gibi bir metal ile n tipi yarı iletken bir malzemenin oluşturduğu bir jonksiyondur. Devreden ayrı değildirler. Silikon (chip) üzerinde oluşturulan karmaşık entegre devrenin parçasıdır.

Çalışmada yüksek hızlıdırlar ve PN jonksiyonlarındaki gibi yük birikmesi olmaz. Standart PN fonksiyonlarına göre iletim için gerekli gerilim değeri daha küçüktür.

Schottky TTL kapı devresinin başlıca avantajı daha yüksek çalışma hızıdır. Transistörler doymadığından yük birikmesi problemi olmaz. Bu tip devrelerde iletim gecikmesi 3 nanosaniye gibi küçük bir değerdir. Aynı zamanda Schottky TTL kapılarında bu anahtarlama hızına aşağı yukarı 19 miliwattlık bir güç tüketimi ile ulaşılmıştır. İletim gecikmesinin 10 nanosaniye güç tüketiminin 2 miliwatt olduğu özel alçak güçlü Schottky TTL devreler de mevcuttur. Bu tip TTL'ler, dijital entegre devreler içinde hız-güç çekişmesinin en uygun olduğu tip entegrelerdir.

THREE STATE TTL: Bu

tip TTL entegre devrelerin iki yerine üç çıkış durumu vardır. Lojik 0 ve 1 durumlarının yanında üçüncü bir açık durumları vardır. Bu durumda entegre devrelerin çıkış bacağı hiçbir yere bağlı değilmiş gibi davranır, çok yüksek empedans gösterir. Bus'lar üzerinde data iletiminin veya çoğullamanın kullanıldığı dijital sistemlerde bu tip devreler kullanılmalıdır.

Data bus, üzerinden dijital bilgilerin veya binary sayıların paralel biçimde bir noktadan diğerine iletildiği bir grup tel, kablo veya iletim hattıdır. Başlıca iki tip olurlar: tek yönlü, iki yönlü. İki yönlü olanlardan data her iki yöne hareket edebilir. Data bus'lar genellikle iki yönlü tiptendir.

Genellikle iki yöne dijital data iletimi için çift bus yerine ortak bus kullanılır ve bilgiler zaman paylaşmalı olarak iki yer arasında iletilir. Belirli bir noktadan bilgi iletimi başladığında, diğer bilgiler iletim tamamlana kadar bekler. Birçok sinyalin taşınması için tek bus'tan yararlanmaya çoğullama "multiplexing" denir. Bilgi gönderen ve alan devrelerin dışında kalan devreler etkisiz hale getirilirler.

Aşağıdaki şekilde, iki yönlü dijital data bus'ın bulunduğu basitleştirilmiş bir diyagram görülmektedir. Birbirine eş olan bus hatlarından sadece biri gösterilmiştir. Bir hat genellikle birçok bitten oluşmuş bir binary kelimenin bir bitini iletmek için kullanılır. Bus birkaç metre veya birkaç yüz metre uzunluğunda olabilir. 1, 2 veya 3 kapılarından biri bir bitlik bir bilgiyi 8 kapısı tarafından alınmak üzere hatta verebilir. Herhangi bir anda üç kapıdan sadece biri data iletimi için etkili kılınır. Devreden görülüyor ki 6 ve 7 kapıları tarafından da alınabilir. Bir anda yalnız bir bilgi iletilmektedir. İletim her iki yöne doğru da olabilir.

Çekici kollektör direnci bulunan lojik devrelerle dijital bus oluşturmak kolaydır. Dijital geçitli kapıların çıkışları şekildeki gibi paralel olarak bağlanır. Bu paralel bağlamaya eşdeğer direnç değeri kollektör dirençlerinin değerinin yarısına düşer. Çıkış transistörleri aynı eşdeğer kollektör direncini paylaşırlar. Bu bağlamayla transistörlerden herhangi biri çıkışı lojik 0 seviyesine getirebilir. Çıkışın lojik 1 seviyesinde olması, her iki transistörün kesimde olmasıyla mümkündür. Kapı devrelerinden birine uygun bir giriş uygulayarak çıkış transistörünün kesimde olması sağlanır. Bu durumda çıkışı diğer kapı devresi belirler.

Kapı çıkışlarının paralel olarak bağlanmasına "Wired-OR bağlama" denir. Devrelerden biri veya diğeri çıkışı lojik 0 seviyesine getirebilmektedir. Bu bağlantı biçimi ilave kapıya gerek kalmadan lojik VEYA fonksiyonunu yerine getirmek üzere sık sık kullanılır.

TTL kapılarının totem-pole çıkışlarında aktif çekici direnç kullanıldığından Wired-OR bağlantısı yapılamaz. Devreler ya bozulur ya düzgün çalışmaz. Bu sebepten TTL entegre devreler bus'lı çalışmalarda kullanılamaz. Problemi halletmek için "open collector" TTL devreleri kullanılabilir. Bu devrelerde çıkış transistörünün kollektörü serbest bırakılmıştır. Artık Wired-OR bağlantısı yapılabilir. Bununla beraber aktif çekici direncin olmaması TTL devrelerin başlıca avantajlarını ortadan kaldırır. Totem-pole çıkış hızı arttırmakta düşük çıkış empedansı sağlamaktadır. Bu avantajların ortadan kalkması yalnız hızın değil, gürültü bağışıklığının da azalmasına sebep olur.

TTL devrelerin bus uygulamalarında kullanılamamalarından dolayı "three state lojik" geliştirilmiştir. Bu tip lojik National Semiconductor Corporation tarafından "Tri-State lojik" olarak sunulmuştur. Üç durumlu TTL'nin özel bir biçimidir. Totem-pole çıkış dahil, devre hemen hemen aynıdır. Yüksek empedanslı üçüncü bir çıkış durumunu oluşturmak üzere devreye ilave yapılmıştır. Data iletimi yapmayan devrelerin ortak bus hattından efektif olarak ayrılmaları sağlanmış olur.

Tipik bir üç durumlu TTL devre, aşağıdaki şekilde görülmektedir. Q3 ve Q4 yüksek kazanç için ardarda bağlanmış darlington transistörlerdir. Üçüncü durumu kontrol etmek üzere D1 diyotu ve Q6, Q7, Q8 transistörleri ilave edilmiştir.

Kontrol girişi alçak seviyede bulunduğunda Q6 doymaya girer. Q6'nın kollektörü ve dolayısıyla Q7'nin bazı da alçak gerilim seviyesindedir. Bu durumda Q7 ve Q8 transistörleri kesimdedir, iletmezler. TTL kapı devresi normal fonksiyonunu yerine getirir. Giriş durumlarına bağlı olarak TTL çıkışı standart lojik 0/1 seviyelerini alır.

Kontrol girişi lojik 1 yapıldığında Q6 kesime girer. Q6'nın baz direnci ve baz kollektör fonksiyonu üzerinden Q7 ve Q8 transistörleri iletim yönünde kutuplanmışlardır. Q8'in doymaya girmesiyle Q1'in üçüncü girişi D1 diyodunun katodu ile birlikte toprağa götürülmüş olur. Hatırlanacağı gibi girişlerden herhangi birinin lojik 0 olması, çıkışı lojik 1 olmaya zorlayacak ve Q5 kesimde, Q4 iletimde olacaktır. Bu durumda ise, her iki çıkış transistörü Q4 ve Q5 kesimdedir. Q8 doymada olduğundan D1'in katodu topraklanmıştır. Q3'ün baz akımı D1 diyodu tarafından çekilecek, Q3 iletemeyecek Q3 ve Q4 kesimde olacaktır. Çıkış transistörlerinin her ikisinin de kesimde olmasıyla, çıkış efektif olarak açık devredir. Devre çıkışından içeri doğru görülen empedans oldukça yüksektir. Devrenin yüksek kalitesinden, küçük akımların çok küçük tutulmuş olmalarından çıkış açık devre gözükür. Ortak bus hattı oluşturmak üzere istenildiği kadar üç durumlu TTL çıkışı paralel olarak bağlanabilir. Data iletimi sırasında, data göndermeyen bütün kapıların kontrol girişlerine lojik 1 uygulanır, çıkışları açık devre olarak davranır, yalnız data gönderecek kapı etkili kılınır.

Aşağıdaki şekil, üç durumlu TTL kapıları için kullanılan lojik sembolü göstermektedir.

EMETÖR KUPLAJLI LOJİK Bipolar lojik devrelerdeki anahtarlama hızını sınırlayan başlıca etken, doymaya sokmak için transistörün emetör-baz ve baz kollektör jonksiyonları ileri yönde kutuplandığında, baz bölgesinde yük birikmesi olmasıdır. Transistörün kesim durumuna geçmesi belirli bir zaman alır. Bu gecikmenin azaltılması veya ortadan kaldırılmasıyla, anahtarlama hızı büyük ölçüde arttırılabilir. Schottky TTL devrelerinde transistörlerin doyması önlenerek yük birikmesi problemi ortadan kaldırılmış ve anahtarlama hızı önemli ölçüde arttırılmıştır.

Doymasız bipolar, transistörlü lojik devrelerin bir diğer temel biçimi emetör kuplajlı lojik (ECL) devrelerdir. Fark amplifikatörü şeklindedirler, mevcut devreler arasında en hızlı olanlarıdır.

BELİRLİ UYGULAMALAR

İÇİN DİJİTAL ENTEGRE

DEVRE SEÇİMİ Dijital bir cihazı veya bir kısmını tasarlarken verilecek en önemli karar, hangi tip entegre devrenin kullanılacağı konusundadır. Ekonomik ve performans açısından, tasarlanan devrenin başarısı bu seçime direkt olarak bağlıdır. Bu sebepten uygulamanın getirdiği şartlar dikkatle göz önüne alınmalıdır.

Dijital entegre devre seçiminde ilk adım, sistem karakteristiklerini tam ve kesin olmak üzere ortaya koymaktır. Performans, ekonomi ve güvenilirlik en başta gelen isteklerdir. Bunları gerekli hız, gürültü bağışıklığı, güç tüketimi ve diğer faktörler belirler. Bundan sonra, mevcut çeşitli tip entegre devrelerin karakteristikleri karşılaştırılır.

Dijital bir sistemin ortaya konmasında ve entegre devre tipinin seçilmesinde, göz önünde bulundurulması gereken başlıca üç faktör vardır: Hız (iletim gecikmesi), güç tüketimi ve gürültü bağışıklığı. Göz önünde bulundurulacak diğer hususlar, maliyet, elde edilme kolaylığı, rekabet ve karmaşık fonksiyonlara duyulan ihtiyaçtır. Maliyet ve elde edilebilirlik en başta gelir. Uygulamanın gerektirdiği şartların hepsini yerine getiriyorsa, fiyatı en düşük devreler tercih edilir.

Yarı iletken endüstrisi, elektroniğin ayak uydurulması zor sahalarından biridir. Teknolojideki gelişme çok hızlı olmakta ve bazı eleman ve devreler kullanımdan kalkarken, yeni devreler ortaya çıkmaktadır. Değişim o kadar hızlı olmaktadır ki, uzun ömürlü bir seçim ve kararlı bir fiyat elde edilememektedir. Teknik yayınlar ve üreticilerin faaliyetleri devamlı takip edilmelidir. En son teknikler göz önüne alınarak yapılacak seçim ve tasarım, devre şartlarını karşılamış olmaktan başka, ömür, fiyat ve rekabet bakımlarından da iyi durumda olacaktır.

KARMAŞIK FONKSİYONLAR Oldukça makul karakteristiklere sahip olan entegre devreler mevcut MSI devrelerdir. Bunlar kombinezonsal ve ardışıl tipte olabilirler. Çoğu dijital cihazlar kodlayıcı, sayıcı gibi sadece birkaç tip devreyle gerçekleştirilir.

Fonksiyonel devrelerin birbirleriyle uygun bir şekilde bağlanmaları, tasarlanarak bir cihazı ortaya koymuş olur. Aynı fonksiyon için SSI devreler yerine, daha az sayıda MSI devreler kullanmak daha ekonomiktir. Tasarım süresi kısalır. Ayrıca eleman sayısı ve toplam cihaz boyutları da orantılı bir şekilde azalmış olur. Mevcut MSI fonksiyonel devre çeşitlerinin de çok olması avantaj sağlar.

REKABET

Bütün bu faktörler birbirleriyle ilişkilidir. Dijital entegre devre seçimi, uygulama şartlarıyla mevcut devreler arasında bir uyuşma sağlamalıdır.

Devre seçiminde en kritik tercih hız ve güç arasında olandır. Gürültü bağışıklığı da mevcut devre tiplerinin diğer karakteristiklerine bağlı olan bir faktördür. Bütün faktörler incelenerek en uygun seçim yapılmalıdır.

Verilen "Entegre Devre Karakteristiklerinin Karşılaştırılması" tablosunda çeşitli entegre devre tiplerinin karşılaştırılması görülmektedir. Uygulamalar için gerekli tipi seçmekte yardımcı olacaktır. Yeni bir ürün tasarımında sadece bu tipler göz önüne alınacaktır.

Şekilde çeşitli tip entegre devrelerin tükettikleri güç ve çalışma hızlarına göre bulundukları yerler görülmektedir. En popüler dijital devre tipleri için iletim gecikmeleri, güç tüketiminin fonksiyonu olarak gösterilmiştir. Tabidir ki, hem iletim gecikmesinin hem de tüketilen gücün olabildiği kadar az olması istenir. En uygun hız, güç oranı alçak güçlü Schottky TTL devreler için sağlanmaktadır.

Gelecek ay görüşmek üzere hoşça kalın .....

ENTEGRE DEVRE KARAKTERİSTİKLERİNİN KARŞILAŞTIRMASI

KARAKTERİSTİKLER TTL ECL MOS CMOS

Yüklenebilirlik 10 25 20 +50

Maliyet Düşük Orta Yüksek

Orta Yüksek

Orta Düşük

Kapı başına düşen tüketilen güç 12-22 40-60 0.2-10 Statik 0.01 1 MHz 1

Üretilen gürültü Yüksek Orta Alçak

Orta Orta Alçak

Dış gürültülere bağışıklık İyi İyi İyi Çok iyi

Çalışma sıcaklık bölgesi (°C) -55'ten +125'e

0'dan

75'e

-55'ten +125'e

-55'ten +125'e

0'dan

75'e

-55 ten 1 + 125 e -40'tan 1 +85 e

Tipik besleme gerilimi (V) +5 -5.2 -27 -13 (PMOS) +5 (NMOS)

+15'ten +18'e

Kapı başına ortalama iletim gecikmesi (ns)

3-12 1-2 300 PMOS 50 NMOS 70

Ortalama saat frekansı (MHz) 15-120 200-1000 2 PMOS 5-10 NMOS 5-10