Diodlogik
Diodlogik (eller diodmotståndslogik ) konstruerar OCH- och ELLER -logiska grindar med dioder och resistorer .
En aktiv enhet ( vakuumrör i tidiga datorer , sedan transistorer i diod-transistorlogik ) krävs dessutom för att tillhandahålla logisk inversion (NOT) för funktionell fullständighet och förstärkning för spänningsnivååterställning , vilket diodlogik ensam inte kan tillhandahålla.
Eftersom spänningsnivåerna försvagas med varje diodlogiksteg, kan flera steg inte lätt kaskadkopplas, vilket begränsar diodlogikens användbarhet. Men diodlogik har en fördel av att endast använda billiga passiva komponenter .
Bakgrund
Logiska grindar
Logiska grindar utvärderar boolesk algebra , vanligtvis med hjälp av elektroniska omkopplare som styrs av logiska ingångar kopplade i parallell eller serie . Diodlogik kan bara implementera ELLER och OCH, eftersom växelriktare (INTE grindar) kräver en aktiv enhet.
Logiska spänningsnivåer
Huvudartikel: Logik nivå § 2-nivå logik
Binär logik använder två distinkta logiska nivåer av spänningssignaler som kan märkas hög och låg . I denna diskussion är spänningar nära +5 volt höga och spänningar nära 0 volt ( jord ) är låga. Den exakta storleken på spänningen är inte kritisk, förutsatt att ingångarna drivs av tillräckligt starka källor så att utspänningarna ligger inom detekterbart olika intervall .
För aktiv-hög eller positiv logik representerar hög logik 1 ( sant ) och låg representerar logisk 0 ( falsk ). Tilldelningen av logisk 1 och logisk 0 till hög eller låg är dock godtycklig och är omvänd i aktiv-låg eller negativ logik, där låg är logisk 1 medan hög är logisk 0. Följande diodlogikgrindar fungerar i både aktiv-hög eller aktiv-låg logik, men den logiska funktionen de implementerar är olika beroende på vilken spänningsnivå som anses vara aktiv . Växling mellan aktiv-hög och aktiv-låg används vanligtvis för att uppnå en mer effektiv logikdesign.
Diodförspänning
Framåtförspända dioder har låg impedans som närmar sig en kortslutning med ett litet spänningsfall , medan backspända dioder har en mycket hög impedans som närmar sig en öppen krets. Diodsymbolens visar den framåtriktade riktningen för konventionellt strömflöde .
Diod OCH och ELLER logiska grindar
Varje ingång på en diodlogikgrind ansluts via en diod som är ansluten till en delad trådbunden logikutgång . Beroende på spänningsnivån för varje ingång och diodens riktning kan varje diod vara framåtspänd eller inte. Om någon är framåtspänd, kommer den delade utgångsledningen att vara ett litet framåtspänningsfall inom den framåtspända diodens ingång.
Om ingen diod är framåtspänd kommer ingen diod att ge drivström för utgångens belastning (såsom ett efterföljande logiskt steg). Så utgången kräver dessutom ett pull-up- eller pull-down-motstånd kopplat till en spänningskälla, så att utgången kan övergå snabbt och ge en stark drivström när inga dioder är framåtspända.
Notera: följande kretsar har två ingångar för varje gate och använder alltså två dioder, men kan utökas med fler dioder för att tillåta fler ingångar. Minst en ingång på varje grind måste vara ansluten till en tillräckligt stark hög- eller lågspänningskälla. Om alla ingångar är bortkopplade från en stark källa, kanske utgången inte faller inom ett giltigt spänningsområde.
Aktiv-hög ELLER logisk grind
Varje ingång ansluts till anoden på en diod. Alla katoder är anslutna till utgången som har ett neddragningsmotstånd.
Om någon ingång är hög kommer dess diod att vara framåtspänd och leda ström, och därmed dra utspänningen högt.
Om alla ingångar är låga kommer alla dioder att vara omvänt förspända och ingen kommer att leda ström. Neddragningsmotståndet kommer snabbt att dra ner utgångsspänningen.
Sammanfattningsvis, om någon ingång är hög kommer utsignalen att vara hög, men endast om alla ingångar är låga kommer utmatningen att vara låg:
| ingångar | produktion | |
|---|---|---|
| Låg | Låg | Låg |
| Låg | Hög | Hög |
| Hög | Låg | Hög |
| Hög | Hög | Hög |
Detta motsvarar logiskt ELLER i aktiv-hög logik, såväl som samtidigt logisk OCH i aktiv-låg logik.
Aktiv-hög OCH logisk grind
Denna krets speglar den tidigare grinden: dioderna är omvända så att varje ingång ansluts till katoden på en diod och alla anoder är sammankopplade till utgången, som har ett pull-up-motstånd.
Om någon ingång är låg, kommer dess diod att vara framåtspänd och kommer att leda ström, och därmed dra ner utspänningen.
Om alla ingångar är höga kommer alla dioder att vara omvänt förspända och så kommer ingen att leda ström. Uppdragningsmotståndet drar snabbt utspänningen högt.
Sammanfattningsvis, om någon ingång är låg kommer utsignalen att vara låg, men bara om alla ingångar är höga kommer utmatningen att vara hög:
| ingångar | produktion | |
|---|---|---|
| Låg | Låg | Låg |
| Låg | Hög | Låg |
| Hög | Låg | Låg |
| Hög | Hög | Hög |
Detta motsvarar logisk AND i aktiv-hög logik, samt samtidigt logisk ELLER i aktiv-låg logik.
Riktiga diodöverväganden
För enkelhetens skull kan dioder ibland antas inte ha något spänningsfall eller resistans när de är framåtspända och oändliga resistanser när de är backspända. Men riktiga dioder approximeras bättre av Shockley-diodekvationen , som har ett mer komplicerat exponentiellt ström-spänningsförhållande som kallas diodlagen .
Konstruktörer måste förlita sig på en diods specifikationsblad , som i första hand ger ett maximalt framåtspänningsfall vid en eller flera framåtströmmar, en omvänd läckström (eller mättnadsström ) och en maximal backspänning som begränsas av Zener- eller lavinavbrott . Effekter av temperatur och processvariationer ingår vanligtvis. Typiska exempel:
-
Germanium diod:
- Max framspänning vid 10 mA = 1 volt @ 0 till 85 °C
- Max omvänd läckström vid 15 volt = 100 mikroampere vid 85 °C
-
Kiseldiod :
- Max framspänning vid 10 mA = 1 volt @ 0 till 125 °C
- Max omvänd läckström vid 15 volt = 1 mikroamp vid 85 °C
Övergående svar
Dioder har också ett övergående svar som kan vara oroande. Kapacitansen mellan anod och katod är omvänt proportionell mot backspänningen och växer när den närmar sig 0 volt och in i framåtförspänning .
Det finns också ett återställningsproblem : en diods ström kommer inte att minska omedelbart när den växlas från framåtspänd till bakåtförspänd, eftersom urladdning av dess lagrade laddning tar en begränsad tid (t rr eller omvänd återhämtningstid ). I en diod-ELLER-grind, om två eller flera av ingångarna är höga och en växlar till låg, kommer återställningsproblem att orsaka ett kortvarigt fall i utspänningen eller öka strömmen i dioderna som förblir höga. Om en logisk gate för diod-transistor driver en transistorväxelriktare av liknande konstruktion, kommer transistorn att ha en liknande bas-kollektorkapacitans som förstärks av transistorförstärkningen, så att det blir för långsamt att passera felet. Men när dioden är mycket långsammare kommer återhämtningen att bli ett problem:
I en ovanlig design användes små selendiodskivor med germaniumtransistorer . Återställningstiden för de mycket långsamma selendioderna orsakade ett fel på växelriktarens utgång. Det fixades genom att placera en selendiod över transistorns bas-emitterövergång, vilket fick den att tro att det var en selentransistor (om det någonsin skulle kunna finnas en).
Spänningsförluster
Aktiva logiska grindar utspänningar inom ett exakt spänningsområde, förutsatt att deras inspänningar låg inom ett något bredare giltigt inspänningsområde . Denna nivååterställning tillåter fler kaskadkopplade logiska steg och tar bort brus, vilket underlättar integration i mycket stor skala .
Men passiva diodlogiska grindar ackumulerar följande spänningsförluster när grindar kaskadkopplas:
- Framspänning VF - fall
- Höga spänningar som matas in till varje ELLER-grind reduceras med V F ( ~0,6 V i kisel, ~0,3 V i germanium ), medan låga spänningar som matas in till varje OCH-grind höjs med V F .
- Källresistans
- En spänningskällas utgångsresistans och den efterföljande grindens pull-up/down-resistor bildar en spänningsdelare som försvagar spänningsnivåerna. Detta minskar höga spänningar i ELLER-grindar och ökar låga spänningar i OCH-grindar.
Sålunda begränsas den möjliga mängden kaskadkoppling av värdet på VF och skillnaden i hög-låg spänning. Med speciella konstruktioner uppnås ibland tvåstegssystem.
För att kompensera för spänningsfallet och ge tillräcklig ström för att driva nästa kretsbelastning, kan pull-up-motstånden vara anslutna till en matning som är högre än den nominella högspänningsnivån och på samma sätt kan pull-down-motstånden anslutas till en matning som är lägre än den nominella lågspänningen.
Ansökningar
Historiskt sett användes diodlogik flitigt i konstruktionen av tidiga datorer , eftersom halvledardioder kunde ersätta skrymmande och dyra aktiva vakuumrör . Uppfinningen av transistorn gjorde det möjligt för transistorer att ersätta rör som det aktiva elementet i diod-transistorlogik . Eftersom tidiga transistorer inte var tillförlitliga D-17B missilledningsdatorn i första hand diodlogik och använde endast transistorer när det var nödvändigt. Transistorer avancerade snabbt för att ersätta diodlogik nästan helt. Men diodlogik har fortfarande vissa moderna användningsområden.
Billig passiv logik från aktiva utgångar
Lågimpedans push-pull-utgång från konventionella IC:er bör inte anslutas direkt, eftersom de kan skapa en kortslutning mellan ström och jord. Men sådana utgångar kan användas som ingångar till passiva OCH- eller ELLER-diodlogiska grindar. Detta undviker kostnaderna för att lägga till aktiva logiska grindar. Diodlogik kommer dock att försämra spänningsnivåer och resultera i dålig brusavvisning, så designers bör vara medvetna om gränssnittslogikfamiljens spänningsområden och begränsningar för att förhindra fel.
Musse Pigg logik
Den humoristiskt namngivna "Micky Mouse Logic" som beskrivs i Don Lancasters CMOS Cookbook föreslår användning av dioder som ett multiverktyg för att utöka de begränsade kapaciteterna hos vanliga CMOS 4000-seriens IC:er, till exempel genom att använda en diod ELLER-grind för att lägga till extra ingångar på en vippa , eller en diod OCH-grind för att konfigurera en divide-by-N-räknare. Ett alternativt tillvägagångssätt föreslår att man håller ett utbud av 1N914-dioder med inverterande Schmitt-trigger -IC:er för att ge hysteres och funktionell fullständighet .
Alla nyckelavbrott
En logisk gate med aktiv-låg ELLER-diod bildas av en knappsats som innehåller dioder vid varje omkopplare, alla anslutna till ett delat pull-up-motstånd. När ingen strömbrytare är stängd håller pull-up utgången hög. Men när omkopplaren för valfri nyckel ansluts till jord, blir utgången låg. Detta ELLER-resultat kan användas som en avbrottssignal för att indikera att valfri tangent har tryckts ned. Sedan kan en mikrokontroller vakna från energisparläge och skanna nyckelmatrisen för att avgöra vilken tangent som specifikt trycktes ned.
Tunneldioder
Under 1960-talet var användningen av tunneldioder i logiska kretsar ett aktivt forskningsämne. Jämfört med dåtidens transistorlogiska grindar erbjöd tunneldioden mycket högre hastigheter. Till skillnad från andra diodtyper erbjöd tunneldioden möjligheten till förstärkning av signaler i varje steg. Funktionsprinciperna för en tunneldiodlogik förlitar sig på förspänning av tunneldioden och tillförsel av ström från ingångar över en tröskelström, för att växla dioden mellan två tillstånd. Följaktligen krävde tunneldiodlogikkretsar ett medel för att återställa dioden efter varje logisk operation.
Men en enkel tunneldiodport erbjöd liten isolering mellan ingångar och utgångar och hade låg fläkt in och fläkt ut . Mer komplexa grindar, med ytterligare tunneldioder och förspänningsförsörjning, övervann några av dessa begränsningar. Framsteg inom diskreta och integrerade kretstransistorhastigheter och transistorförstärkarnas nästan unilaterala karaktär gick om tunneldiodporten och den används inte längre i moderna datorer.