العائلات المنطقية
Logic families
إعداد
مهندس / محمد الحريرى
تنقسم الدارات الرقمية إلى عائلات . كل عائلة فيها تختلف عن الأخرى من حيث تركيبها وجهود الدخل المناسبة لها والتى تمثل المستويان المنطقيان) وسرعة أدائها ومقدار القدرة التى يمكن أن تدعمها فى خرجها والقدرة التى تستهلكها.
وكل العناصر فى العائلة الواحدة تكون متوافقة مع بعضها البعض (أى يمكن ربطهم سويا فى دارات مشتركة بتغذية واحدة ومستويات دخل واحدة) . أما العناصر التى تنتمى إلى عائلات مختلفة فتعتبر بصورة عامة غير متوافقة ويلزم إضافة بعض الدارات لضبط توافقها مع بعضها البعض.
وأكبر العائلات المنطقية تحتوى على 250 دارة متكاملة مختلفة وأصغرها تحتوى على 50 دارة متكاملة مختلفة.
وسنستعرض فى موضوعنا الحالى أشهر ستة عائلات منطقية وهى :
1- عائلة منطق مقاومة-ترانزستور RTL
2- عائلة منطق دايود-ترانزستور DTL
3- عائلة منطق العتبة العليا HTL – High Threshold Logic
4- عائلة منطق الترانزستور-ترانزستور TTL- Transistor Transistor Logic
5- عائلة منطق ربط الباعث ECL – Emitter Coupled Transistor
6- عائلة منطق ال CMOS
ولا توجد عائلة تحتوى على كل المميزات حيث لا يمكننا أن نقول أن هذه العائلة أو تلك هى الأفضل فكل عائلة تكون أفضل فى بعض الخصائص وأسوء فى خصائص أخرى . ويلاحظ أنه بتحسين أحد الخواص تسوء خاصية أخرى . فإذا حسنا السرعة فسنزيد من إستهلاك الدارة للقدرة . لذا فإن على المصنعين الموازنة بين الخصائص المختلفة بحسب التطبيق المطروح لاستخدام تلك الدارات .
أولا : عائلة منطق مقاومة- ترانزستور RTL :
==============================
وهى أول عائلة تم أختراعها لتكون قياسية فى خطوط الإنتاج . ولكنها نادرا ما تستخدم الآن فى التصاميم الحديثة .
والبوابة الرئيسية فى هذه العائلة هى بوابة NOR (أنظر الشكل التالى) . وتضمن هذه العائلة زمن تأخير أقل من 12 نانوثانية وهى أقتصادية فى إهدار القدرة حيث تصل القدرة المهدرة فى البوابة الواحدة إلى 10 مللى واط فى البوابة الواحدة.
ومن أحد مشاكل هذه العائلة أن فرق الجهد بين الحالتين المنطقيتين صغير مما يجعلها عرضة للتأثير الضار للضوضاء .
ثانيا : عائلة منطق دايود-ترانزستور DTL :
============================
تعتبر أيضا واحدة من أقدم العائلات ولكنها لم تشتهر مثل ال RTL وهى متوافقة مع عائلة TTL لذا يمكن أستخدامهما فى نفس الدارة دون مشاكل .
والدارة التالية تمثل بوابة NAND فى هذه العائلة .
ثالثا : عائلة منطق العتبة العليا HTL – High Threshold Logic :
====================================== ========
من أهم مميزاتها مقاومتها للضوضاء ( الفرق بين الحالتين المنطقيتين يصل إلى 15 فولت) لذا فهى تستخدم فى البيئات الصناعية حيث تصدر الألات الكهربية ضوضاء ذات جهود كبيرة ولكن زمن التأخير لها أبطأ من أى عائلة أخرى (150 نانو ثانية لليوابة)
رابعا: عائلة منطق الترانزستور-ترانزستور TTL- Transistor Transistor Logic
===================================== =====================
وهى العائلة الأكثر إستخداما و تتضمن عائلات فرعية هى :
– العائلة القياسية Standered TTL
– العائلة المنخفضة القدرة Low power TTL
– العائلة عالية السرعة High speed TTL
– عائلة Shottky clamped TTL
– عائلة الشوتكى مخفضة القدرة Low power Shottky
1- العائلة القياسية Standered TTL :
==========================
الشكل التالى يوضح دارة بوابة NAND منفذة بتقنية عائلة TTL القياسية
– لمن أراد الشرح بالتفصيل فاليحاول فهمها بنفسه أولا ثم يطرح علينا أفكاره قبل طلب الشرح المفصل –
– تعمل الدارة بتغذية مصدر قدرة +5 فولت
– هذه الدارة لها زمن تأخير 10 نانو ثانية
– الفقد فى القدرة للبوابة = 10 مللى واط
– أقصى تردد للعمل هو 35 ميجا هرتز.
2- العائلة منخفضة القدرة Low power TTL :
========================== =====
ودارة نفس البوابة (NAND) فى هذه العائلة (المنخفضة القدرة) مشابهة لمثيلتها فى العائلة السابقة (العائلة القياسية) ولكنها مختلفة فى عدم وجود الثنائى CR1 كما أن قيم المقاومات بها مختلفة وهى كالتالى :
R1=40K
R2=20K
R3=12K
R4=500
ويكون ناتجا من هذا الإختلاف أن التيار المار أقل وفقد القدرة أقل.
وهذه العائلة الفرعية لها زمن تأخير 33 نانوثانية
والفقد فى القدرة للبوابة هو 1 مللى واط
وأقصى تردد هو 3 ميجا هرتز
3- العائلة العالية السرعة High Speed TTL:
==============================
وتم بناء هذه العائلة بإضافة زوج دارلينجتون Darlington – Q3/Q4 وتقليل قيم المقاومات مما يسرع الإنتقال من حالة منطقية إلى أخرى.
وفى هذه العائلة الفرعية لها زمن تأخير = 6 نانوثانية وقدرة مفقودة بمقدار 22 مللى واط فى البوابة الواحدة وأقصى تردد يمكن العمل عليه هو 50 ميجا هرتز.
4- عائلة الربط بالشوتكى SCHOTTKY-Clamped TTL :
========================================
وهى أخر العائلات الفرعية (تحت الTTL) ظهورا وهى أسرع من أى عائلة TTL أخرى وتختلف هذه العائلة الفرعية عن أى عائلة أخرى فى الTTL فى أنها تستخدم ترانزستور معدل حيث توصل قاعدة الترانزستور بمجمعه عن طريق موحد شوتكى (كما هو موضح بالشكل) ويعمل الدايود على تحويل تيار القاعدة عندما يكون الترانزستور فى حالة غلق ON وذلك حتى يمنعه من تخزين الشحنات التى تبطىء من سرعته عندما يتحول من الحالة ON إلى الحالة OFF . وهذا يسرع الأداء العام للدارة مما يعطي للبوابة زمن انتقال يساوى 3 نانوثانية ومعدل إستهلاك للقدرة = 19 مللى واط وأقصى تردد يمكن العمل عليه هو 125 ميجا هرتز.
خامسا : عائلة منطق ربط الباعث ECL – Emitter Coupled Transistor
=========================================== =========
وهى أعلى العائلات المنطقية سرعة وتضم أربعة فئات (مسماه بزمن النقل لها) :
1- فئة 8 نانو ثانية – وتعمل على ترددات 30 ميجا هرتز
2- فئة 4 نانو ثانية – وتعمل على ترددات 75 ميجا هرتز
3- فئة 2 نانو ثانية – وتعمل على ترددات 125 ميجا هرتز
4- فئة 1 نانو ثانية – وتعمل على ترددات 400 ميجا هرتز
وتعتبر أحسنها هى الفئة 2 نانو ثانية لأنها تجمع بين السرعة فى الأداء والمحافظة على القدرة.
والدارة التالية من تلك العائلة تستطيع العمل كأحد البوابتين NOR أو OR
وفى هذه الدارة يمثل المستويان المنطقيان 1 و 0 بالجهود -0.5 فولت و -1.7 فولت
ورغم أن هذه العائلة هى أسرع العائلات (تستخدم فى الحاسبات الكبيرة و نظم الإتصالات) إلا أنها تستهلك القدرة أكثر من عائلة ال TTL . وفى بعض الأحيان تسبب سرعتها تلك الكثير من المشاكل ومنها الإنبعاثات والتداخلات الغير مرغوب فيها . كما أنها لا تناسب النظم الرقمية البطيئة.
سادسا : عائلة منطق ال CMOS :
=============== ========
ولاحظ أن عائلة الCMOS تختلف عن عائلات الbipolar فى :
1- إستهلاكها القليل للقدرة :
تستهلك فقط 0.01 مللى واط (فى حالة الثبات على حالة منطقية) و ترتفع إلى 10 مللى واط (أثناء التغير من حالة لأخرى فى الترددات العالية من 5 ميجا هرتز إلى 10 ميجا هرتز). لذلك فهى تستخدم بكثرة فى الأجهزة التى تعمل على بطاريات مما يطيل من عمر البطارية كما تستخدم فى دارات الأقمار الصناعية.
2- إمكان إستعمال جهد متغير لمنبع التغذية
يمكن أن تغذى بجهود تتراوح من 3 إلى 18 فولت دون أن يؤثر ذلك على عملها . (ولكن كلما زاد جهد منبع التغذية زادت سرعة البوابة).
3- مقاومتها للضوضاء
