PERUSPORTIT Lopetus 1(7) Piiriperheet Digitaalitekniikan perusportit ovat: AND- (JA-) PORTTI NAND- (EI-JA-) PORTTI INVERTTERI eli (EI-) PORTTI OR- (TAI-) PORTTI NOR- (EI-TAI-) PORTTI XOR- PORTTI (EHDOTON TAI-) Käyttöohje: Portit tulevat esiin yksi kerrallaan hiiren klikkauksella. HUOM. Klikkaa esim. otsikon vieressä yläreunassa, muuten saatat vahingossa hypätä jonkun portin esittelyyn. Jokaisen portin SFS-piirrosmerkin alle on piilotettu toimintonäppäin, jolla siirrytään ko. porttia tarkemmin esittelevään diaan. Toinen tapa: Kun olet klikannut esiin AND-portin piirrosmerkin, voit siirtyä suoraan AND-portin tarkempaan esittelyyn portin alle piilotetun toimintonäppäimen avulla. Esittelystä paluun jälkeen voit jatkaa klikkaamalla esiin OR-portin jne. Painikkeesta ”Piiriperheet” voit siirtyä diaan 8, josta alkaa piiriperheiden sähköisten ominaisuuksien esittely. MICROSALO OY JM 12/2006

AND-PORTTI F = A B 1 = 1 1 0 = 1 0 0 = 0 1 0 = 0 0 A B F 0 0 0 0 1 0 1 2(7) Paluu Piirrosmerkit: Totuustaulu: Funktio: A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 F = A B 1 1 = 1 1 0 = 1 0 0 = 0 1 0 = 0 0 1 1 SFS Aikakaavio: A amer. Käyttöohje: AND-portti, JA-portti, kutsutaan myös veräjiksi tai elimiksi Animaatio: perättäisillä klikkauksilla ilmestyvät ruutuun: Portin piirrosmerkit, SFS-standardin mukainen ja amerikkalainen. Käytetään SFS-merkkiä, mutta amerikkalainen pitää tunnistaa. Portin totuustaulukko, joka on osattava ulkoa, muuten ei tule oppimisesta mitään. Portin funktio lausekkeena, AND-operaation merkkinä käytetään ”kertomerkkiä”, joka luetaan ”and” Portin aikakaavio eli miltä tulo- ja lähtöjännitteet näyttävät oskilloskoopilla mitattuna. Alataso 0V ja ylätaso riippuu käytetystä piiriperheestä. Portin toiminta lauseena. Totuustaulukon ensimmäinen rivi (+vastaavat muut) korostettuna. Totuustaulukon toinen rivi. Totuustaulukon kolmas rivi. Totuustaulukon neljäs rivi. Poistetaan kaikki korostukset -> ”Paluu”-näppäimellä takaisin ensimmäiseen diaan. B Lähtö F on yksi, jos tulo A on yksi JA tulo B on yksi. F

NAND-PORTTI F = A B 0 = 1 1 1 = 1 0 1 = 0 1 1 = 0 0 A B F 0 0 1 0 1 1 3(7) Paluu Piirrosmerkit: Totuustaulu: Funktio: A B F 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 F = A B 1 0 = 1 1 1 = 1 0 1 = 0 1 1 = 0 0 1 1 SFS Aikakaavio: A amer. Käyttöohje: NAND-portti, EI-JA-portti, kutsutaan myös veräjiksi tai elimiksi (EI-JA-elin???, jos tyttöjä kuulijoissa) Animaatio: perättäisillä klikkauksilla ilmestyvät ruutuun: Portin piirrosmerkit, SFS-standardin mukainen ja amerikkalainen. Käytetään SFS-merkkiä (eroaa AND:istä vain lähdössä olevan vinoviivan/ympyrän osalta), mutta amerikkalainen pitää tunnistaa. Portin totuustaulukko, joka on osattava ulkoa, muuten ei tule oppimisesta mitään. Portin funktio lausekkeena, AND-operaation merkkinä käytetään ”kertomerkkiä”. Invertointi osoitetaan viivalla tulojen yli Portin aikakaavio eli miltä tulo- ja lähtöjännitteet näyttävät oskilloskoopilla mitattuna. Alataso 0V ja ylätaso riippuu käytetystä piiriperheestä. Portin toiminta lauseena. Totuustaulukon ensimmäinen rivi (+vastaavat muut) korostettuna. Totuustaulukon toinen rivi. Totuustaulukon kolmas rivi. Totuustaulukon neljäs rivi. Poistetaan kaikki korostukset -> ”Paluu”-näppäimellä takaisin ensimmäiseen diaan. B Lähtö F on nolla (yksi), jos tulo A on yksi JA tulo B on yksi. F

OR-PORTTI F = A B 1 = 1 1 1 = 1 0 1 = 0 1 0 = 0 0 A B F 0 0 0 0 1 1 1 4(7) Paluu Piirrosmerkit: Totuustaulu: Funktio: A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 F = A B 1 1 = 1 1 1 = 1 0 1 = 0 1 0 = 0 0 1 1 SFS Aikakaavio: A amer. Käyttöohje: OR-portti, TAI-portti, kutsutaan myös veräjiksi tai elimiksi Animaatio: perättäisillä klikkauksilla ilmestyvät ruutuun: Portin piirrosmerkit, SFS-standardin mukainen ja amerikkalainen. Käytetään SFS-merkkiä, mutta amerikkalainen pitää tunnistaa. Portin totuustaulukko, joka on osattava ulkoa, muuten ei tule oppimisesta mitään. Portin funktio lausekkeena, OR-operaation merkkinä käytetään ”plus-merkkiä”, joka luetaan ”or” Portin aikakaavio eli miltä tulo- ja lähtöjännitteet näyttävät oskilloskoopilla mitattuna. Alataso 0V ja ylätaso riippuu käytetystä piiriperheestä. Portin toiminta lauseena. Totuustaulukon ensimmäinen rivi (+vastaavat muut) korostettuna. Totuustaulukon toinen rivi. Totuustaulukon kolmas rivi. Totuustaulukon neljäs rivi. Poistetaan kaikki korostukset -> ”Paluu”-näppäimellä takaisin ensimmäiseen diaan. B Lähtö F on yksi, jos tulo A on yksi TAI tulo B on yksi. F

XOR-PORTTI F = A B 0 = 1 1 1 = 1 0 1 = 0 1 0 = 0 0 A B F 0 0 0 0 1 1 1 5(7) Paluu Piirrosmerkit: Totuustaulu: Funktio: A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 F = A B 1 0 = 1 1 1 = 1 0 1 = 0 1 0 = 0 0 1 1 SFS Aikakaavio: A amer. Käyttöohje: XOR-portti, EX-OR-portti, ehdoton-TAI-portti, kutsutaan myös veräjäksi tai elimeksi. Animaatio: perättäisillä klikkauksilla ilmestyvät ruutuun: Portin piirrosmerkit, SFS-standardin mukainen ja amerikkalainen. Käytetään SFS-merkkiä, mutta amerikkalainen pitää tunnistaa. Portin totuustaulukko, joka on osattava ulkoa, muuten ei tule oppimisesta mitään. Portin funktio lausekkeena, XOR-operaation merkkinä käytetään ”plus-merkkiä”, joka on ympyröity. Portin aikakaavio eli miltä tulo- ja lähtöjännitteet näyttävät oskilloskoopilla mitattuna. Alataso 0V ja ylätaso riippuu käytetystä piiriperheestä. Portin toiminta lauseena. Totuustaulukon ensimmäinen rivi (+vastaavat muut) korostettuna. Totuustaulukon toinen rivi. Totuustaulukon kolmas rivi. Totuustaulukon neljäs rivi. Poistetaan kaikki korostukset -> ”Paluu”-näppäimellä takaisin ensimmäiseen diaan. B Lähtö F on yksi, jos tuloista vain yksi on ykkönen. F

NOR-PORTTI F = A B 0 = 1 1 0 = 1 0 0 = 0 1 1 = 0 0 A B F 0 0 1 0 1 0 1 6(7) Paluu Piirrosmerkit: Totuustaulu: Funktio: A B F 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 F = A B 1 0 = 1 1 0 = 1 0 0 = 0 1 1 = 0 0 1 1 SFS Aikakaavio: A amer. Käyttöohje: NOR-portti, EI-OR-portti, kutsutaan myös veräjäksi tai elimeksi. Animaatio: perättäisillä klikkauksilla ilmestyvät ruutuun: Portin piirrosmerkit, SFS-standardin mukainen ja amerikkalainen. Käytetään SFS-merkkiä, mutta amerikkalainen pitää tunnistaa. Portin totuustaulukko, joka on osattava ulkoa, muuten ei tule oppimisesta mitään. Portin funktio lausekkeena, XOR-operaation merkkinä käytetään ”plus-merkkiä”, joka on ympyröity. Portin aikakaavio eli miltä tulo- ja lähtöjännitteet näyttävät oskilloskoopilla mitattuna. Alataso 0V ja ylätaso riippuu käytetystä piiriperheestä. Portin toiminta lauseena. Totuustaulukon ensimmäinen rivi (+vastaavat muut) korostettuna. Totuustaulukon toinen rivi. Totuustaulukon kolmas rivi. Totuustaulukon neljäs rivi. Poistetaan kaikki korostukset -> ”Paluu”-näppäimellä takaisin ensimmäiseen diaan B Lähtö F on nolla (yksi), jos tulo A on yksi TAI tulo B on yksi. F

INVERTTERI F = A 0 = 1 1 = 0 A F 0 1 1 0 1 1 A F 7(7) Paluu Piirrosmerkit: Totuustaulu: Funktio: A F 0 1 1 0 F = A 0 = 1 1 = 0 1 1 SFS Aikakaavio: A amer. Käyttöohje: Invertteri, EI-portti. Animaatio: perättäisillä klikkauksilla ilmestyvät ruutuun: Portin piirrosmerkit, SFS-standardin mukainen ja amerikkalainen. Käytetään SFS-merkkiä, mutta amerikkalainen pitää tunnistaa. Portin totuustaulukko, joka on osattava ulkoa, muuten ei tule oppimisesta mitään. Portin funktio lausekkeena, XOR-operaation merkkinä käytetään ”plus-merkkiä”, joka on ympyröity. Portin aikakaavio eli miltä tulo- ja lähtöjännitteet näyttävät oskilloskoopilla mitattuna. Alataso 0V ja ylätaso riippuu käytetystä piiriperheestä. Portin toiminta lauseena. Totuustaulukon ensimmäinen rivi (+vastaavat muut) korostettuna. Totuustaulukon toinen rivi. Poistetaan kaikki korostukset -> ”Paluu”-näppäimellä takaisin ensimmäiseen diaan F Lähtö F on tulon A käänteisarvo eli tulo invertoidaan.

Logiikkapiiriperheet 1 Perusportteja kuten muitakin digitaalipiirejä (kiikut, laskurit, kooderit) valmistetaan piiriperheinä, joilla on keskenään samanlaiset sähköiset ominaisuudet. 1. TTL- (Transistor-Transistor Logic) perustuu bipolaaritransistoreihin, ja näistä ns. 74-sarjoista on käytössä nykyään: * 74LS-sarja (LS = Low Power Schottky) * 74ALS-sarja (kolmannen sukupolven 74-sarja) 2. TTL-sarjojen mukaisesti numeroidut CMOS-tekniikkaan perustu- vat sarjat: * 74HC-sarja * 74HCT-sarja (jännitetasot kuten perus-TTL:ssä) 3. Suurijännitteinen CMOS-sarja * 4000-sarja, jonka käyttöjännitealue on +3V … +18V. Käyttöohje:

Logiikkapiiriperheet 2 Ohessa esimerkki ELFA:n myymistä kaksituloisista NAND-porteista. Tyyppimerkinnän kaksi ensim- mäistä numeroa: 74 => t = 0 …70 astetta 54 => t = -40 … +125 astetta Kirjainmerkintä erottelee sar- jojen erilaiset sähköiset omi- naisuudet Viimeiset numerot kertovat IC-piirin sisältämät loogiset toiminnot. Käyttöohje:

Logiikkapiiriperheet 3 Perusportit 74-sarjoissa: NAND: 7400 NOR: 74HC02 INV: 74ALS04 AND: 74F08 OR: 74HCT32 XOR: 74LV86 Käyttöohje:

Logiikkapiiriperheet 4 IC-piiri 7400 (74- normaalisarja) 7400 piirin käyttöjännite on +5V (4,75V … 5,25V) +5V Tulot voidaan kytkeä suoraan sekä käyttö- jännitteeseen että maahan: 0V -> tulo = 0 5V -> tulo = 1 A B F Lähdön F jännite voi- daan mitata: Uo > 2,4V -> F = 1 Uo < 0,4V -> F = 0 Käyttöohje: Klikkaus ->Teksti ”7400 piiri… Klikkaus -> piirin kuvaan ilmestyy GND ja +5V Klikkaus -> Teksti ”Tulot voidaan … ” ja tulojen suureet A ja B piirrokseen. Klikkaus -> Tulot A ja B kytkeytyvät maihin. Klikkaus -> Teksti ”Lähdön F …..” ja Lähdön suure F kuvaan. Klikkaus -> Kuvaan ilmestyy lähtöön volttimittari. -> Kuvan alle ilmestyy toimintonäppäin, jolla voidaan hypätä portin sisäisen rakenteen ja toiminnan esittelyyn. GND Uo V Portin rakenne

Logiikkapiiriperheet 5a Eri piiriperheille on sovittu tulon maksimivirta IILmax, joka tulopinnistä voi tulla sen ollessa alatilassa. Portin tulojen virrat ja jännitteet Esimerkiksi 74-normaali- sarjan IILmax = 1,6mA. Jotta tulo tulkitaan varmas- ti nollaksi on sovittu tulojän- nitteelle maksimiarvo UILmax IIL UILmax IILmax Normaalisarjan IILmax = 0,8V Paljonko on resistenssin R suurin arvo, jotta tulojännite pysyy alle UILmax:imin, vaik- ka virta IIL olisi maksimissaan? UIL Käyttöohje:

Logiikkapiiriperheet 5b Portin tulojen virrat ja jännitteet Portin tulon maksimivirta ylätilassa on IIHmax. 74- normaalisarjan IIHmax = 40uA Jotta tulon jännite tulkitaan varmasti ykköseksi, sen on oltava suurempi kuin UIHmin. IIHmax 1 74- normaalisarjan UIHmin = 2,0 V IIH 1 Käyttöohje: Tulojen virroille sekä 0- että 1-tilassa on määritelty maksi- miarvot, jotka riippuvat piiri- perheestä. UIHmin

Logiikkapiiriperheet 5c Portin lähdön virrat ja jännitteet Piirisarjoille on määritelty lähdön maksimivirta, jonka se voi ”niellä” alatilassa. 74-normaalisarjan IOLmax = 16mA Alatilan maksimijännite sallitulla virralla UOLmax. 74-normaalisarjan UOLmax = 0,4V IOLmax Käyttöohje: Mitoita R siten, että LED:in virta I on 5mA. LED: IF = 5mA, UF = 2,2V UOLmax

Logiikkapiiriperheet 5d Portin lähdön virrat ja jännitteet Piirisarjoille on määritelty lähdön maksimivirta yläti- lassa IOHmax, jota ei saa ylittää. TTL-normaalisarjan IOHmax = 400uA Jos maksimivirtaa ei yli- tetä, niin lähtöjännite ylätilassa on vähintään UOHmin. IOHmax 1 Käyttöohje: TTL-normaalisarjan UOHmin = 2,4V UBE UOHmin

Logiikkapiiriperheet 5e Piiriperheiden erot: Käyttö- jännite Lämpötila- alue Portin viive tP 74-norm. 54-sarjat 74LS 74HC 74HCT 4000 4,75-5,25V 4,5 – 5, 5V 2,0 – 6,0V 4,5 – 5,5V 3,3 – 15V 0 …+70 -55…+125 0 … +70 -40…+125 -40…+85 10ns 7ns 35…120ns Käyttöohje:

Logiikkapiiriperheet 5f Piiriperheiden loogiset jännitetasot ja virrat: Tulot Lähdöt 1 1 UILmax IILmax UIHmin IIHmax UOLmax IOLmax UOHmin IOHmax 74-norm. 74LS 74HC 74HCT 4000 0,8V 0,3*VCC 1,6mA 0,4mA - 2,0V 0,7*VCC 40uA 20uA - 0,4V 0,5V 0,3V 50mV 16mA 8mA 25mA 1mA 2,4V 5,2V 3,84V Vcc-50mV 0,4mA 25mA 1mA Käyttöohje: CMOS-piirien (vasemmalla) alla olevasta toimintonäppäimestä voit siirtyä CMOS-invertterin rakennetta esitteleviin dioihin (2kpl). VCC = 6V, IO = 5,2mA CMOS- rakenne VCC = 4,5V, IO = 4mA IO = 1uA

Logiikkapiiriperheet 5g Vastuksen mitoitus? +5V Kytkin portin tulona: UILmax? IILmax? 1 Tulo ilmassa? ? +5V IILmax 1 R UILmax ON-OFF-kytkin Vaihtokytkin +5V Vastuksen mitoitus? UIHmin? IIHmax? Tulo ilmassa? R IIHmax Käyttöohje: ON-OFF-kytkintä käytettäessä on aina varmistettava, että portin tulo ei jää ”ilmaan” kytkimen OFF-asennossa. ? UIHmin ON-OFF-kytkin

Esitys päättyy tähän. c Jari Mansikkaviita Käyttöohje:

Logiikkapiiriperheet (CMOS 1) CMOS-portin rakenne Ylemmän FET:in UGS = -5V, joten se on ON-tilassa. ON Portin lähtö F = 1 ja lähtö voi antaa virtaa. 1 Alemman FET:in UGS = 0, joten se on OFF-tilassa. Käyttöohje: FET-transistorin hilapiirissä ei kulje virtaa, sillä hila on eristetty kanavasta (S-D).

Logiikkapiiriperheet (CMOS 2) CMOS-portin rakenne Ylemmän FET:in UGS = 0V, joten se on OFF-tilassa. 1 Portin lähtö F = 0 ja lähtö voi imeä virtaa. ON Alemman FET:in UGS = +5V, joten se on ON-tilassa. Käyttöohje:

Logiikkapiiriperheet (CMOS 3) paluu CMOS-portin rakenne Käyttöohje: CMOS-tekniikalla on helppo integroida paljon loogisia toimintoja samalle pii- palalle, sillä vastuksia ja diodeja ei tarvita.

Logiikkapiiriperheet (TTL 1) 7400-portin rakenne +5V 1. Piirin käyttö- jännite +5V. Moniemitteri- transistori 2. Tulot nollaksi A = 0 (GND) B = 0 (GND) IB 3. T1 johtaa, T2 ei saa kanta- virtaa => OFF A = 0 B = 0 IIL OFF varaukset 4. T4 ei saa kanta- virtaa => OFF T3 saa kanta- virran => ON IIL OFF 0,1V Käyttöohje: 2* IIL 0V V Uo 5. Lähtö F = 1, Uo = > 2,4V Microsalo Oy JM 01/2007

Transistori toimii myös emitteri ja kollektori keske- Logiikkapiiriperheet (TTL 2) paluu 7400-portin rakenne 1. Tulot ykkösiksi A = 1 (+5V) B = 1 (+5V) 2. T1:n toiminta- suunta muut- tuu 3. T2 johtavaksi ja T4 johtaa. T3 OFF-tilaan. +5V +5V +5V 2*IIH IB OFF 0,7V 1,2V IIH 0,6V A = 1 B = 1 Käyttöohje: UOL <0,4V Transistori toimii myös emitteri ja kollektori keske- nään vaihdettuna, vain virtavahvistus pienenee. Microsalo Oy JM 01/2007