4. Logické obvody

  1. Základní charakteristiky logického členu
  2. Logické obvody TTL, CMOS
  3. Spojování vstupů a výstupů logických členů
  4. Dynamické vlastnosti logických členů

Logické obvody

  • Logické obvody jsou elektronické obvody, které zpracovávají logické signály. Tyto signály mohou nabývat pouze dvou úrovní –

    • logická 0 (L)
    • logická 1 (H)

  • Každá z těchto úrovní odpovídá určitému napětí. Například u TTL logiky (Transistor-Transistor Logic) platí:

    • logická 0 → napětí v rozmezí 0 až 0,8 V
    • logická 1 → napětí v rozmezí 2 až 5 V

  • Logické obvody tvoří základ všech digitálních zařízení – od počítačů, mikroprocesorů, mikrokontrolérů a řídicích jednotek až po měřicí přístroje nebo jednoduché projekty s Arduinem.

  • Každé hradlo má definované vstupy a výstup, přičemž výstupní logická úroveň je určena podle logické funkce, kterou hradlo provádí.

  • Základem jsou logické členy (hradla), které realizují logické operace jako NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR.

Základní charakteristiky logického členu

  • Každý logický člen má několik elektrických a funkčních parametrů, které určují jeho vlastnosti:
  • Logické úrovně:
    • Umax-maximální napětí, které je ještě považováno za logickou O
    • Umin-minimální napětí, které je považováno za logickou 1
    • Maximální výstupní napětí pro logickou 0
    • Minimální výstupní napětí pro logickou 1
  • Napájecí napětí:
    • Každá logická rodina má určité napájecí napětí Ucc a typickou spotřebu.
    • TTL obvody pracují při 5 V, CMOS obvody obvykle 3-15 V.

Logické obvody TTL, CMOS

  • Založeny na bipolárních tranzistorech. Řídí se proudem do báze. Nulový vstupní odpor. -Základní stavební prvek je víceemitorový tranzistor, který slouží jako vstupní hradlo.



  • TTL (NOT)

    • Spotřeba: vyšší než u CMOS
    • Příklad obvodu: 7400 (čtyři NAND hradla)
    • Napájení: Typicky 5 V
    • Log.0: 0-0,8V
    • Log. 1: 2-5 V center Výhody:
      • Rychlá činnost
      • Dobrá odolnost vůči rušení
      • Snadná dostupnost a jednoduché zapojování
    Nevýhody: - Větší odběr proudu - Vyšší ztrátový výkon - Nutnost přesného napájení 5 V



  • CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

    • CMOS obvody jsou tvořeny páry tranzistorů MOSFET typu P a N.
    • Pracují s mnohem menším klidovým proudem - proud teče jen při přepínání.
    • Řídí se napětím do gatu - nekonečný vstupní odpor.
    • Napájeni: 3 - 15 V (některé typy i 1,8 V nebo 5 V)
    • Log. 0: 0-0,3V
    • Log. 1: 0,7V center
    • Rychlost: vysoká u moderních verzí (HC, HCT, AC)
    • Spotřeba: velmi nízká
    • Vyhody:
      • Malá spotřeba energie
      • Velký rozsah napájecího napětí
      • Vysoká integrace (např. mikrokontroléry, paměti)
    • Nevýhody:
      • Citlivost na statickou elektřinu
      • Starší typy měly nižši rychlost než TTL

Spojování vstupů a výstupů logických členů

  • Spojování vstupů:

    • Všechny vstupy, které nejsou používány, musí být připojeny na definovanou logickou úroveň (např. přes odpor na GND nebo Vcc).
    • U CMOS hradel je nutné nepoužité vstupy nikdy nenechávat volné, protože mohou zachytit rušení a způsobit nechtěné přepínání.

  • Spojování výstupů:

    • Výstupy nelze spojovat přímo, protože by mohlo dojít ke zkratu mezi různými úrovněmi napětí.
    • Výjimkou jsou výstupy s otevřeným kolektorem (open collector) u TTL nebo open drain u CMOS. Ty umožňují spojování výstupů přes společný odpor na napájení.

  • Připojování mezi TTL a CMOS:

    • Pro propojení různých logick se často používají přizpůsobovací obvody - napřiklad odporové děliče nebo tranzistorové převodníky úrovní, aby se zajistila správná interpretace logických úrovní.

Dynamické vlastnosti logických členů

  • Dynamické vlastnosti popisují rychlostní chování logických obvodů při přepínání.

  • Doby zpoždění:

    • Zpoždění vzniká vlivem kapacit, odporů a vnitřní struktury tranzistorů.
    • Například TTL hradla mají zpoždění kolem 10 ns, CMOS (řada HC) i pod 5 ns.
    •  - Doba přechodu z 0 → 1
    •  - Doba přechodu z 1 → 0

  • Přechodové jevy

    • Při přepínání se obvod krátce nachází mezi dvěma úrovněmi. To může způsobit:
      • Špičkové proudy,
      • dočasné přepínání více členů,
      • Vznik rušeni (EMI).
    • Proto se při návrhu dbá na správné blokování napájení (odrušovací kondenzátory) a optimální vedení signálů na plošném spoji.

  • Propustná frekvence:

    • Udává, do jaké frekvence je logický člen schopen správně přepínat.
    • U moderních CMOS obvodů (např. řady 74AC) to mohou být stovky MHz.

Příchozí odkazy