diyot mantığı - Diode logic

Ayrık bir transistör saatinde diyot-transistör mantığı. A'daki diyotlar, 1 ila 12 saatleri göstermek için yedi segmentli ekranı aydınlatmak için 12 hattan 1'inin kodunu çözer. B'deki transistörler, kod çözme diyotlarını ve ekranları çalıştırır. C'deki diyotlar, D'deki transistör parmak arası terliklerinin durumuna bağlı olarak 12 çift transistörden birini tetikler. Parmak arası terlik zincirindeki ek diyotlar bunun saatleri saymasına izin verir.

Diyot mantığı ( DL ) veya diyot direnç mantığı ( DRL ), bir inşaat Boolean mantık kapıları gelen diyotlar . Diyot mantığı, yarı iletken diyotların hacimli ve maliyetli aktif vakum tüp elemanlarının yerini alabileceği erken bilgisayarların yapımında yaygın olarak kullanıldı . Diyot mantığının en yaygın kullanımı, diyotlara ek olarak bir NOT işlevi ve sinyal restorasyonu sağlamak için invertör mantığını içeren diyot-transistör mantığı (DTL) entegre devreleridir .

Diyot mantığı basitlik avantajına sahipken, her kapıda bir yükseltme aşamasının olmaması uygulamasını sınırlar. Tüm mantıksal işlevler yalnızca diyot mantığında uygulanamaz; diyot kapıları ile sadece ters çevirmeyen mantıksal VE ve mantıksal VEYA işlevleri gerçekleştirilebilir. Birkaç diyot mantık kapısı kademeli ise, her aşamadaki voltaj seviyeleri önemli ölçüde değişir, bu nedenle diyot mantığı normalde tek bir aşama ile sınırlıdır, ancak özel tasarımlarda bazen iki aşamalı sistemler elde edilir.

Basitleştirme varsayımları

Örnek olarak bu tartışma, voltaj düşüşü olmadan ileri yönde ileten ve ters yönde iletmeyen idealleştirilmiş diyotları varsayar. Mantık tasarımı, 1 ve 0 olarak etiketlenmiş iki farklı sinyal seviyesi olduğunu varsayar . Pozitif mantık için 1 en pozitif seviyeyi, 0 ise en negatif seviyeyi temsil eder. Bu tartışmadaki örnekleme için, pozitif mantık 1, +6 volt ile temsil edilir ve 0 volt, mantık 0'ı temsil eder. İkili mantıkta, sinyal voltajının tam büyüklüğü kritik değildir ve sadece 1 ve 0 durumlarının algılanabilir şekilde farklı olarak temsil edilmesi gerekir. voltaj seviyeleri.

Bu örneklerde, her geçidin en az bir girişi, tanımlanan mantık 1 veya mantık 0 seviyelerini sağlayan bir voltaj seviyesine bağlanmalıdır. Tüm girişlerin herhangi bir sürücü kaynağından bağlantısı kesilirse, çıkış sinyali doğru voltaj aralığıyla sınırlı değildir.

Diyot mantık kapıları

Mantık kapılarında mantıksal işlevler, mantıksal girişler veya pasif bileşenler olan paralel dirençler veya diyotlar tarafından kontrol edilen paralel veya seri bağlı anahtarlar (röle kontakları veya CMOS gibi yalıtılmış kapı FET'leri gibi ) tarafından gerçekleştirilir. Diyot mantığı, ileri kutuplandığında düşük empedans ve ters kutuplandığında çok yüksek empedans sergileyen diyotlar tarafından uygulanır. İki tür diyot mantık kapısı vardır - VEYA ve VE. DEĞİL (invert) diyot kapıları oluşturmak mümkün değildir çünkü ters çevirme işlevi, transistör gibi aktif bir bileşen gerektirir.

VEYA mantık kapısı

Pozitif mantık doğruluk tablosuna sahip bir diyot VEYA kapısı

Sağdaki resim bir diyot VEYA devresini göstermektedir. Diyot sembolü, akım akışının ileri düşük empedans yönünü gösteren bir oktur. Tüm diyotların anotlarında girişleri vardır ve katotları çıkışı sürmek için birbirine bağlanır. R, diyotlar için ön akım sağlamak üzere çıkıştan bir miktar negatif voltaja (-6 volt) bağlanır.

Tüm A ve B ve C girişleri 0 volttaysa (mantık seviyesi 0), R üzerinden akan akım, diyotlar çıkışı kelepçeleyene kadar çıkış voltajını aşağı çeker. Bu diyotlar ideal olarak kabul edildiğinden, çıkış 0 volta kenetlenir, bu mantık seviyesi 0'dır. Herhangi bir giriş pozitif bir voltaja geçerse (mantık 1), şimdi ileri yönlü diyottan akan akım çıkış voltajını yukarı çekecektir. , çıkışta bir pozitif voltaj sağlayarak, bir mantık 1. Herhangi bir pozitif voltaj, bir mantık 1 durumunu temsil edecektir; çoklu diyotlardan geçen akımların toplamı mantık seviyesini değiştirmez. Diğer diyotlar ters kutuplanmıştır ve akım iletmezler.

Herhangi bir A VEYA B VEYA C girişi 1 ise, çıkış 1 olacaktır. Yalnızca tüm girişler, A ve B ve C 0 ise, çıkış 0 olacaktır. Bu, VEYA mantığının tanımıdır. Resmin sağındaki doğruluk tablosu, tüm girdi kombinasyonlarının çıktısını gösterir.

Bu şu şekilde yazılabilir:

A VEYA B VEYA C = ÇIKTI
veya
A+B+C=ÇIKTI

In Boole cebri artı işareti (+) denote VEYA için kullanılır.

R herhangi bir negatif gerilime dönebilir. R, 0 volta bağlanırsa, bir sonraki devreyi sürmek için kullanılabilir sürücü akımı olmayacaktır; pratik diyotlar bir önyargı akımına ihtiyaç duyar. Pratik bir devrede, tüm sinyal seviyeleri, R'nin değeri ve geri dönüş voltajı, tasarım gereksinimlerini karşılamak için devre tasarımcısı tarafından seçilir.

VE mantık kapısı

Pozitif mantık doğruluk tablosuna sahip bir diyot VE kapısı

VE diyotu, ters çevrilmesi dışında temelde VEYA ile aynıdır. Diyotlar ters çevrilir, böylece katotlar girişlere bağlanır ve anotlar çıkışı sağlamak için birbirine bağlanır. R, diyotlar için ileri ön gerilim akımını ve çıkış sürücüsü için akımı sağlamak üzere +12 volta bağlanmıştır.

Tüm A VE B VE C girişleri pozitif bir voltaj ise (burada +6 volt), R üzerinden akan akım, diyotlar çıkışı mantıksal 1 çıkış seviyesi olan +6 volta sabitleyene kadar çıkışı pozitif çekecektir. Herhangi bir giriş 0 volta geçerse (mantıksal 0 seviyesi), diyottan geçen akım, çıkış voltajını 0 volta kadar çeker. Diğer diyotlar ters taraflı olacak ve akım iletmeyecektir.

A veya B veya C girişi 0 ise, çıkış 0 olacaktır. Yalnızca tüm girişler, A VE B VE C 1 ise, çıkış 1 olacaktır. Bu, AND mantığının tanımıdır. Resmin sağındaki doğruluk tablosu, tüm girdi kombinasyonlarının çıktısını gösterir.

Bu şu şekilde yazılabilir:

A VE B VE C = ÇIKTI
veya
A×B×C=ÇIKTI

(Boole cebrinde çarpma sembolü VE'yi gösterir.)

VEYA diyotuna benzer şekilde, R mantık seviyesi 1'den daha pozitif olan herhangi bir gerilime geri dönebilir. Tüm sinyal seviyeleri, R değeri ve dönüş voltajı, tasarım gereksinimlerini karşılamak için devre tasarımcısı tarafından seçilen seçeneklerdir.

olumsuz mantık

1 ve 0'ın sırasıyla pozitif ve negatif sinyal seviyelerine atanması, AND veya OR devrelerini kullanan mantık tasarımcısının bir seçeneğidir. Bu atama ile mantığın pozitif olduğunu varsayar. 1'in negatif voltaj ve 0'ın pozitif voltaj olduğu atamanın tersi olması muhtemeldir. Bu olumsuz bir mantık olacaktır. Pozitif ve negatif mantık arasında geçiş yapmak, daha verimli bir mantık tasarımı elde etmek için yaygın olarak kullanılır.

In Boole cebri olumlu bir mantık kabul YA olumsuz mantığı olduğunu VE edilir. Benzer şekilde, bir pozitif mantık VE bir negatif mantık VEYA'dır.

Bu ilişki, operasyonlarının yukarıdaki açıklamasını okuyarak kolayca tanınabilir. VEYA'da, "Yalnızca tüm girişler, A ve B ve C 0 ise, çıkış 0 olacaktır" yazıyordu. Negatif mantıkta, düşük voltajdaki her düğüm bir mantık 1 olur ve “Yalnızca tüm girişler, A VE B VE C 1 ise çıkış 1 olacaktır” ifadesini yapar. VE işlevinin tanımı budur.

AND için de benzer şekilde, “Eğer A veya B veya C girişi 0 ise, çıkış 0 olacaktır” belirtildi. Negatif mantıkta, daha düşük voltajdaki her düğüm, "A VEYA B VEYA C girişi 1 ise çıkış 1 olacaktır" ifadesini yaparak bir mantık 1 olur. VEYA işlevinin tanımı budur.

Herhangi bir diyot düzenlemesinin mantıksal işlevi, yalnızca mantık durumlarının voltaj seviyelerine göre temsili biliniyorsa kurulabilir.

Gerçek diyotlarla diyot mantığı

Gerilimin akıma karşı diyot yaklaşımı

Yukarıdaki açıklamalar, ileri yönde sıfır dirençli ve geri yönde sonsuz dirençli ideal bir diyot varsaymıştır. Devre tasarımcıları gerçek diyotlarla ilgilenmelidir. pn diyotu makaleleri ve daha az ayrıntılı makale pn eklemi , PN diyotunun fiziğini açıklar. Elektronlar, delikler, çoğunluk ve azınlık taşıyıcıları vb. hakkındaki tüm tartışmalardan sonra, her biri devre tasarımcısıyla en doğrudan ilgili olan bir denkleme iner. Gerçek PN diyotu aslında sağdaki eğriye benzer bir voltaj akımı özelliğine sahiptir. Shockley diyot denkleminde daha spesifik bir tanım bulunabilir . Güvenilir bir diyot mantık devresinin tasarımcısı genellikle diyot spesifikasyonunun sağladığıyla sınırlıdır ki bu genellikle denklemin önerdiğinden daha azdır. Tipik olarak, spesifikasyon öncelikle bir veya daha fazla ileri akımda bir maksimum ileri voltaj düşüşü ve bir ters kaçak akım sağlayacaktır. Ayrıca zener veya çığ arızası ile sınırlanan maksimum ters voltaj sağlayacaktır. Hem germanyum hem de silikon PN diyotları için tipik en kötü durum özellikleri aşağıda gösterilmiştir.

Germanyum diyot:

10 mA'da maksimum ileri voltaj = 1 volt @ 0 ila 85 °C
15 voltta maksimum ters kaçak akım = 85 °C'de 100 mikroamper

Silikon diyot:

10 mA'da maksimum ileri voltaj = 1 volt @ 0 ila 125 °C
15 voltta maksimum ters kaçak akım = 1 mikroamper @ 85 °C

Bileşen imalat varyasyonlarının ve sıcaklığın etkileri genellikle bu spesifikasyonlara dahil edilir.

Daha gerçekçi olarak, germanyum ileri voltajı 0,25 ila 0,4 volt olabilir, ancak bu genellikle belirtilmez. Silikon kaçak akımı çok daha düşük olabilir, muhtemelen 1 ila 100 nanoamper.

PN diyotları, tasarımla ilgili olabilecek geçici davranışlara da sahiptir. Anot ve katot arasındaki bir PN diyotun kapasitansı, ters voltajla ters orantılıdır, sıfır volta yaklaştıkça ve ileri önyargıya doğru büyür. Ayrıca, ileri sapmadan ters sapmaya geçildiğinde akımın hemen düşmeyeceği bir kurtarma endişesi de vardır. Diyot durumunda VEYA iki veya daha fazla giriş 1 seviyesinde ise ve biri 0'a geçerse, 1'de kalan diyotlarda bir arıza veya akım artışına neden olur. çıkış voltajı Pratikte, diyot mantık geçidi, genellikle olduğu gibi bir transistör çeviriciyi çalıştırıyorsa ve diyot ve transistör benzer yapıdaysa, transistör, transistör kazancı tarafından yükseltilen benzer bir taban kollektör kapasitansına sahip olacaktır, böylece çok yavaş olacaktır. aksaklığı geç. Sadece diyot çok daha yavaş bir yapıya sahip olduğunda herhangi bir endişe haline gelecektir. Alışılmadık bir tasarımda, küçük selenyum diyot diskleri, germanyum transistörleriyle birlikte kullanıldı. Çok yavaş selenyum diyotların toparlanma süresi, inverter çıkışında bir arızaya neden oldu. Transistörün taban yayıcı bağlantısının karşısına bir selenyum diyot yerleştirerek, onun bir selenyum transistörü olduğunu "düşünmesini" sağladı (eğer bir tane varsa).

Transistör inverterli erken diyot mantığı

IBM 608 kartlarında kullanıldığı şekliyle NAND ve NOR DTL mantık devreleri. PNP ve NPN transistör simgeleri, IBM tarafından kullanılanlardır.

1952 yılına kadar IBM , kullanıma hazır germanyum diyotları değiştirerek transistörler üretti , ardından Poughkeepsie'de kendi alaşımlı bağlantı transistör üretim tesisine sahip oldular . 1950'lerin ortalarında , dünyadaki ilk tamamen transistörlü bilgisayar olan IBM 608'de diyot mantığı kullanıldı . Sağdaki resim, 608 kartlarda kullanılan iki temel mantık devresini göstermektedir. Tek bir kartta dört adet iki yönlü devre veya üç adet üç yönlü veya bir adet sekiz yönlü devre bulunur. Tüm giriş ve çıkış sinyalleri uyumluydu. Devreler, bir mikrosaniye kadar dar olan darbeleri güvenilir bir şekilde değiştirme yeteneğine sahipti.

1962 D-17B güdüm bilgisayarının tasarımcıları, kullanılan transistör sayısını en aza indirmek için mümkün olduğunca diyot-direnç mantığını kullandılar.

restorasyon

Kademeli AND-OR diyot kapılarında, yüksek voltaj seviyesi iki kattan fazla düşürülür.

Aktif elemanlar tarafından uygulanan dijital mantık, sinyal restorasyonu ile karakterize edilir. Doğru ve yanlış veya 1 ve 0 , iki özel voltaj seviyesi ile temsil edilir. Bir dijital mantık geçidinin girişleri ilgili seviyelerine yakınsa, çıkış istenen seviyeye daha yakın veya tam olarak eşit olacaktır. Aktif mantık kapıları çok sayıda entegre edilebilir çünkü her kapı girişindeki gürültüyü kaldırma eğilimindedir. Diyot mantık kapıları pasif elemanlar tarafından uygulanır; bu nedenle, iki restorasyon sorunları var.

İleri voltaj düşüşü
Diyot mantık ilk onarım problemi bir voltaj düşüşü V olmasıdır F ileri bastırılan diyot boyunca 0.6 V ile ilgili. Bu voltaj, her kapının girişine eklenir veya bu girişten çıkarılır, böylece diyot kapıları kaskadlandığında birikir. OR geçidinde, V F yüksek gerilim seviyesini (mantıksal 1 ) azaltırken, AND geçidinde düşük gerilim seviyesini (mantıksal 0 ) arttırır . Mantıksal aşamaların uygun sayısı bu nedenle gerilim düşüşüne ve yüksek ve düşük gerilimler arasındaki farka bağlıdır.
Kaynak direnci
Diyot mantığının diğer bir sorunu, giriş voltajı kaynaklarının iç direncidir. Kapı direnci ile birlikte voltaj seviyelerinde sapmalara neden olan bir voltaj bölücü oluşturur. VEYA geçidinde, kaynak direnci yüksek voltaj seviyesini (mantıksal 1 ) azaltırken AND geçidinde düşük voltaj seviyesini (mantıksal 0 ) arttırır . Sağdaki resimdeki kademeli AND-OR diyot kapılarında, AND pull-up dirençleri boyunca dahili voltaj düşüşleri nedeniyle AND yüksek çıkış voltajları azalır.

Uygulamalar

Diyot mantık kapıları, entegre devreler olarak diyot-transistör mantık (DTL) kapıları oluşturmak için kullanılır .

Konvansiyonel IC'lerin çıkışları (tamamlayıcı çıkış sürücü aşamaları ile), voltaj kaynakları olarak hareket ettikleri için asla doğrudan birbirine bağlanmazlar. Ancak diyotlar, sayaç gibi bir IC'den iki veya daha fazla dijital (yüksek/düşük) çıkışı birleştirmek için kullanılabilir. Bu kablolu mantık bağlantısı , ek mantık kapıları kullanmadan basit mantık fonksiyonları üretmenin kullanışlı bir yolu olabilir.

Çoğu devre ailesi, güvenilir performans elde etmek için bu sinyal seviyelerine bağlı olarak uyumlu giriş ve çıkışlara sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Diyot mantığı eklemek, sinyal seviyesini düşürür ve zayıf gürültü reddine ve olası arızaya neden olur.

Tünel diyotları

1960'larda mantık devrelerinde tünel diyotlarının kullanımı aktif bir araştırma konusuydu. Zamanın transistör mantık kapıları ile karşılaştırıldığında, tünel diyotu çok daha yüksek hızlar sunuyordu. Diğer diyot tiplerinden farklı olarak, tünel diyot, her aşamada sinyallerin amplifikasyonu imkanını sundu. Tünel diyot mantığının çalışma prensipleri, diyotu iki durum arasında değiştirmek için tünel diyodunun polarizasyonuna ve girişlerden bir eşik akımı üzerinden akım sağlanmasına dayanır. Sonuç olarak, tünel diyot mantık devreleri, her mantıksal işlemden sonra diyotu sıfırlamak için bir araca ihtiyaç duyuyordu. Basit bir tünel diyot kapısı giriş ve çıkışları arasında çok az izolasyon teklif ve düşük vardı içinde fan ve fan out . Ek tünel diyotları ve öngerilim güç kaynakları ile daha karmaşık kapılar, bu sınırlamaların bazılarının üstesinden geldi. Ayrık ve entegre devre transistör hızındaki gelişmeler ve transistör yükselteçlerinin neredeyse tek taraflı doğası, tünel diyot kapısını geride bıraktı ve artık modern bilgisayarlarda kullanılmamaktadır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar