วงจรอิเล็กทรอนิกส์เกทและดิจิตอลไอซี
3.1 กล่าวนำ
ปัจจุบันวงจร Logic ทางดิจิตอลได้เข้ามามีบทบาทเป็นอย่างมากในวงการอิเล็กทรอนิกส์ทั่ว ๆ ไป ซึ่งอาจกล่าวได้ว่าเป็นปัจจัยที่สำคัญอันหนึ่งในการดำเนินชีวิตประจำวันของคนเรา ก่อนที่เราจะศึกษาการนำเอาวงจร Logicไปใช้งานนั้นหากเราเข้าใจโครงสร้างการทำงานภายในของเกทแบบต่าง ๆ ซึ่งอยู่ภายในไอซี ก็จะทำให้เราสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้อย่างถูกต้องและถูกวิธี
3.2 หลักการเบื้องต้นของวงจร Logic
วงจร Logic นั้นเราจะใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าแทนสภาวะ 2 สภาวะ ซึ่งอาจแทนความหมายต่าง ๆ ได้ เช่น ใช่-ไม่ใช่, ถูก-ผิด, เปิด-ปิด, ทำงาน-ไม่ทำงาน, มี-ไม่มี,1-0 เป็นต้น แต่ทั่วไปแล้วในทางดิจิตอลจะใช้แทนด้วย 0 กับ 1ตามการทำงานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์สวิทชิ่ง ซึ่งเราเรียกว่า Logic โดยปกติการแทน Logic นั้นจะมีการแบ่งระบบสัญญาณ Logic อยู่ 2 แบบ คือ |
1. Positive Logic เป็นระบบ Logic ที่มีสัญญาณลอจิก “1” หรือ “สูง” หรือ “High” (H) ต้องมีระดับแรงดันไฟฟ้าที่เป็นบวกมากกว่าสัญญาณลอจิก “0” หรือ “ต่ำ” หรือ “Low” (L)
รูปที่ 3.1
 |
2. Negative Logic เป็นระบบ Logic ที่มีสัญญาณลอจิก “1” หรือ “สูง” หรือ “High” (H) ต้องมีระดับแรงดันไฟฟ้าที่เป็นลบมากกว่าสัญญาณลอจิก “0” หรือ “ต่ำ” หรือ “Low” (L)
รูปที่ 3.2
3.3 ELECTRONIC LOGIC GATES
เกทต่าง ๆ ที่ใช้ในดิจิตอลคอมพิวเตอร์นั้นจะผลิตออกมาในรูปของอุปกรณ์แบบวงจรรวม (integrated circuit : IC) ซึ่งเราเรียกสั้น ๆ ว่าไอซี ภายในตัวไอซีนั้นจะประกอบด้วยอุปกรณ์ต่าง ๆ มากมาย เช่น ทรานซิสเตอร์(transistor), ไดโอด (diode), ตัวความต้านทาน (resistor), อุปกรณ์โซลิดสเตท (solid-state component) และ อุปกรณ์อื่น ๆ เกทพื้นฐานนั้นจะประกอบไปด้วยชนิดของ เกท 3 ชนิด คือ แอนด์เกท (AND gate), ออร์เกท (OR gate) และ นอทเกท (NOT gate) ซึ่งต่อมาได้มีการพัฒนาเพิ่มเป็นเกทพิเศษเพิ่มเติมมาเช่น แนนด์เกท(NAND gate), นอร์เกท(NOR gate), เอกซ์คลูซีฟนอร์เกท (EX-OR gate) เป็นต้น
3.3.1 แอนด์เกท (AND gate)
AND gate เป็นการกระทำการ AND ระหว่างอินพุทตั้งแต่ 2 อินพุทขึ้นไป โดยมีลักษณะของเอาท์พุทคือ เอาท์พุทจะเป็น “1” เพียงกรณีเดียวเท่านั้นเมื่ออินพุททุกตัวเป็น “1” ซึ่ง AND gate มีสัญลักษณ์ และการทำงานดังรูป
 |
อินพุท | เอาท์พุท | |
A | B | Y |
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 |
ค) แสดงตารางความจริง (Truth table) ของแอนด์เกท
รูปที่ 3.3
จากการทำงานของ AND gate เราสามารถเขียน Function Output ของ AND gate ได้คือ
Y = A × B
ในทางปฏิบัติจริงอาจจะมีการใช้แอนด์เกทที่มีอินพุทมากกว่าสองอินพุทก็ได้ โดยจะมีจำนวนอินพุทถึง n อินพุท ซึ่งจะได้ Function Output ของ AND gate ที่มีจำนวนอินพุท n อินพุท คือ
 |
Y = A × B ×…× n
รูปที่ 3.4
3.3.2 ออร์เกท (OR gate)
 |
OR gate เป็นการกระทำการ OR ระหว่างอินพุทตั้งแต่ 2 อินพุทขึ้นไป โดยมีลักษณะของเอาท์พุทคือ เอาท์พุทจะเป็น “1” ก็ต่อเมื่อมีอินพุทหนึ่งอินพุทใดหรืออินพุททุกตัวเป็น “1” ซึ่ง OR gate มีสัญลักษณ์ และการทำงานดังรูป
อินพุท | เอาท์พุท | |
A | B | Y |
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 1 |
ค) แสดงตารางความจริง (Truth table) ของออร์เกท
รูปที่ 3.5
จากการทำงานของ OR gate เราสามารถเขียน Function Output ของ OR gate ได้คือ
Y = A + B
ในทางปฏิบัติจริงอาจจะมีการใช้ออร์เกทที่มีอินพุทมากกว่าสองอินพุทก็ได้ โดยจะมีจำนวนอินพุทถึง n อินพุท ซึ่งจะได้ Function Output ของ OR gate ที่มีจำนวนอินพุท n อินพุท คือ
 |
Y = A + B +…+ n
รูปที่ 3.6
3.3.3 นอทเกท (NOT gate) หรืออินเวอร์เตอร์ (Inverter)
 |
Not gate เป็นเกทที่ทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณอินพุทจาก “0” เป็น “1” หรือ จาก “1” เป็น “0” ซึ่งอาจจะกล่าวได้ว่าเป็นการคอมพลีเม้นต์ก็ได้เช่นกัน NOT gate นั้นจะมีเพียงอินพุทเดียวเท่านั้น ซึ่งมีสัญลักษณ์และตารางการทำงาน คือ
อินพุท | เอาท์พุท |
A | Y |
0 | 1 |
1 | 0 |
ค) แสดงตารางความจริง (Truth table) ของนอทเกท
รูปที่ 3.7
จากการทำงานของ NOT gate เราสามารถเขียน Function Output ของ NOT gate ได้คือ
Y = A 3.3.4 แนนด์เกท (NAND gate)
NAND gate เป็นการนำเอาการกระทำการ AND ระหว่างอินพุทตั้งแต่ 2 อินพุทขึ้นไป แล้วนำเอาท์พุทที่ได้ไปผ่าน NOT gate (AND + INVERTER = NAND) โดยมีลักษณะของเอาท์พุทที่ตรงกันข้ามกับ AND gate คือ เอาท์พุทจะเป็น “0” เพียงกรณีเดียวเท่านั้นเมื่ออินพุททุกตัวเป็น “1” ซึ่ง NAND gate มีสัญลักษณ์ และการทำงานดังรูป
อินพุท | เอาท์พุท | ||||
A | B | Y | |||
0 | 0 | 1 | |||
0 | 1 | 1 | |||
1 | 0 | 1 | |||
1 | 1 | 0 | |||
ค) แสดงตารางความจริง (Truth table) ของแนนด์เกท
รูปที่ 3.8
จากการทำงานของ NAND gate เราสามารถเขียน Function Output ของ NAND gate ได้คือ
Y = A × B ในทางปฏิบัติจริงอาจจะมีการใช้แอนด์เกทที่มีอินพุทมากกว่าสองอินพุทก็ได้ โดยจะมีจำนวนอินพุทถึง n อินพุท ซึ่งจะได้ Function Output ของ NAND gate ที่มีจำนวนอินพุท n อินพุท คือ
 |
Y = A × B ×…× nรูปที่ 3.9
3.3.5 นอร์เกท (NOR gate)
 |
NOR gate เป็นการนำเอาการกระทำการ OR ระหว่างอินพุทตั้งแต่ 2 อินพุทขึ้นไป แล้วนำเอาท์พุทที่ได้ไปผ่าน NOT gate โดยมีลักษณะของเอาท์พุทตรงกันข้ามกับ OR gate คือ เอาท์พุทจะเป็น “0” ก็ต่อเมื่อมีอินพุทหนึ่งอินพุทใดหรืออินพุททุกตัวเป็น “1” ซึ่ง NOR gate มีสัญลักษณ์ และการทำงานดังรูป
อินพุท | เอาท์พุท | |
A | B | Y |
0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 0 |
ค) แสดงตารางความจริง (Truth table) ของนอร์เกท
รูปที่ 3.10
จากการทำงานของ NOR gate เราสามารถเขียน Function Output ของ NOR gate ได้คือ
Y = A + B ในทางปฏิบัติจริงอาจจะมีการใช้นอร์เกทที่มีอินพุทมากกว่าสองอินพุทก็ได้ โดยจะมีจำนวนอินพุทถึง n อินพุท ซึ่งจะได้ Function Output ของ NOR gate ที่มีจำนวนอินพุท n อินพุท คือ
 |
Y = A + B +…+ nรูปที่ 3.11
3.3.6 เอ็กซ์คลูซีฟ-ออร์เกท (EXCLUSIVE-OR gate)
 |
EXCLUSIVE-OR gate เป็นเกทพิเศษชนิดหนึ่งซึ่งเป็นการนำเอา NOT gate AND gate OR gate มาทำการต่อร่วมกัน ประกอบไปด้วยอินพุท 2 อินพุท ซึ่งจะมีลักษณะของเอาท์พุทจะเป็น “0” ก็ต่อเมื่อมีอินพุททั้งสองอินพุทมีLogical เหมือนกัน เช่น เป็น “0” หรือเป็น “1” ทั้งสองอินพุทและเอาท์พุทจะเป็น “1” ก็ต่อเมื่อมีอินพุททั้งสองอินพุทมี Logical ต่างกัน
อินพุท | เอาท์พุท | |
A | B | Y |
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 |
ค) แสดงตารางความจริง (Truth table) ของ EXCLUSIVE-OR gate
รูปที่ 3.12
จากการทำงานของ EXCLUSIVE-OR gate เราสามารถเขียน Function Output ของ EXCLUSIVE-OR gate ได้คือ
Y = A × B + A × B หรือ
= (A + B) × (A + B) หรือ = A Å B
ในทางปฏิบัติจริงเราอาจเห็น EXCLUSIVE-OR gate ที่มีอินพุทมากกว่าสองอินพุทได้เช่นกัน แต่ไม่มากนัก
3.3.7 เอ็กซ์คลูซีฟ-นอร์เกท (EXCLUSIVE-NOR gate) หรือ Comparators
 |
EXCLUSIVE-NOR gate เป็นเกทพิเศษอีกชนิดหนึ่งซึ่งเป็นการนำเอา NOT gate AND gate OR gate มาทำการต่อร่วมกันเช่นเดียวกับ EXCLUSIVE-OR gate ประกอบไปด้วยอินพุท 2 อินพุท ซึ่งจะมีลักษณะของเอาท์พุทจะตรงกันข้ามกับเอาท์พุทของ EXCLUSIVE-OR gate คือ เอาท์พุทจะ เป็น “0” ก็ต่อเมื่อมีอินพุททั้งสองอินพุทมี Logical ต่างกัน และเอาท์พุทจะเป็น “1” ก็ต่อเมื่อมีอินพุททั้งสองอินพุทมี Logical เหมือนกัน เช่น เป็น “0” หรือเป็น “1”ทั้งสองอินพุท
อินพุท | เอาท์พุท | |
A | B | Y |
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 |
ค) แสดงตารางความจริง (Truth table) ของ EXCLUSIVE-NOR gate
รูปที่ 3.13
จากการทำงานของ EXCLUSIVE-NOR gate เราสามารถเขียน Function Output ของ EXCLUSIVE-NOR gate ได้คือ
Y = A × B + A × B หรือ
= (A + B) × (A + B) หรือ = A Å B
= A ๏ B
ในทางปฏิบัติจริงเราอาจเห็น EXCLUSIVE-NOR gate ที่มีอินพุทมากกว่าสองอินพุทได้เช่นกัน แต่ไม่มากนัก
3.3.8 Inhibit gate
 |
Inhibit gate เป็นเกทพิเศษอีกชนิดหนึ่งซึ่งเป็นการนำเอา NOT gate AND gate มาทำการต่อร่วมกัน โดยจะนำ NOT gate มาต่อไว้ที่อินพุทของ AND gate เพียงอินพุทหนึ่ง ๆ
อินพุท | เอาท์พุท | ||
A | B | C | Y |
0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 0 | 1 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 | 0 |
1 | 0 | 1 | 0 |
1 | 1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 1 | 0 |
ค) แสดงตารางความจริง (Truth table) ของ Inhibit gate
รูปที่ 3.14
จากการทำงานของ Inhibit gate ดังรูปที่ 3.14 นั้น เราสามารถเขียน Function Output ของ Inhibit gate นี้ได้คือ
Y = A × B × C 3.4 DIGITAL INTEGRATED CIRCUIT
พัฒนาการในการนำเอาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มาประกอบกันเป็นวงจรลอจิกนั้น ได้มีการพัฒนาเปลี่ยนแปลงมามากมาย โดยในระยะเริ่มแรกนั้นวงจรลอจิกจะเกิดจากการนำเอาสวิทช์ธรรมดาและรีเลย์มาประกอบกันเป็นวงจรลอจิก ซึ่งทำให้ขาดความยืดหยุ่นในการใช้งาน ต่อมามีการนำเอาหลอดสูญญากาศมาใช้แทน ซึ่งหลอดสูญญากาศนั้นก็มีข้อเสียในการใช้งานมากมายเช่นกัน จนกระทั่งถึงยุคของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ทำให้การประกอบเป็นวงจรลอจิกมีความยืดหยุ่นในการใช้งานมากยิ่งขึ้น จนกระทั่งถึงจุดที่สามารถนำเอาอุปกรณ์ต่าง ๆ ประกอบอยู่ในชิพเล็ก ๆ เพียงชิพเดียว ซึ่งสามารถบรรจุอุปกรณ์พื้นฐานต่าง ๆ ได้มากมาย เราเรียกว่า IC ซึ่งย่อมาจาก Integrated Circuit
ไอซีต่าง ๆ ที่นำมาใช้สร้างเป็นวงจรลอจิกนั้นเราสามารถแบ่งชนิดของไอซีตามขนาดความซับซ้อนภายในของมันโดยถ้าใช้เกณฑ์การนับจากจำนวนเกทที่อยู่ภายในไอซีได้ดังนี้
SSI (Small-Scale Integration) ถือว่าเป็นไอซีขนาดเล็ก โดยเป็นไอซีที่มีจำนวนเกทน้อยกว่า 12 เกทบนชิพเดียวกัน มีขาต่อใช้งาน 14 ถึง 16 ขา
MSI (Medium-Scale Integration) ถือว่าเป็นไอซีขนาดกลาง โดยเป็นไอซีที่มีจำนวนเกทตั้งแต่12 เกท ถึง 100 เกทต่อชิพ
LSI (Larg-Scale Integration) ถือว่าเป็นไอซีขนาดใหญ่ โดยเป็นไอซีที่มีจำนวนเกทมากกว่า 100 เกท ถึง 1000 เกทต่อชิพ
VLSI (Very Larg-Scale Integration) ถือว่าเป็นไอซีขนาดใหญ่มาก โดยเป็นไอซีที่มีจำนวนเกทมากกว่า 1000 เกท ถึง 100,000 เกทต่อชิพ
ULSI (Ultra Larg-Scale Integration) ถือว่าเป็นไอซีขนาดใหญ่พิเศษ
3.5 ไดโอดลอจิก (Diode Logic)
ไดโอดลอจิกเป็นวิวัฒนาการขั้นแรกเริ่มก่อนที่จะสร้างเป็นไอซีดิจิตอลชนิดต่าง ๆ ขึ้นได้ ซึ่งก่อนที่จะศึกษาการทำงานของโครงสร้างภายในไอซีเกทชนิดต่าง ๆ นั้น ควรทำความเข้าใจถึงการทำงานของไดโอดลอจิกก่อน
วงจรไดโอดลอจิกจากรูปที่ 3.15 เป็นวงจรไดโอดลอจิกที่ใช้แทน AND gate โดยสมมุตให้ไดโอดที่ใช้มีคุณสมบัติเป็นไดโอดในทางอุดมคติ คือ เมื่อไดโอดได้รับไบอัสตรงจะเปรียบเสมือนว่าไดโอดทำหน้าที่เป็นวงจรปิด(Close Circuit) แต่หากไดโอดได้รับไบอัสกลับ ไดโอดจะทำหน้าที่เป็นวงจรเปิด (Open Circuit)
 |
ก)
ลำดับ | อินพุท | เอาท์พุท | อินพุท | เอาท์พุท | ||
A | B | Y | A(V) | B(V) | Y (V) | |
1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
2 | 0 | 1 | 0 | 0 | +10 | 0 |
3 | 1 | 0 | 0 | +10 | 0 | 0 |
4 | 1 | 1 | 1 | +10 | +10 | +10 |
ข) Truth Table
รูปที่ 3.15 แสดงไดโอดลอจิกต่อเป็น AND gate
การทำงานของวงจรในรูปที่ 3.15 ก) นั้น หากเราให้ที่อินพุท A และ B ขาใดขาหนึ่ง หรือทั้งสองอินพุทต่อกับกราวนด์คือ เป็น 0 โวลท์ เอาท์พุทจะเป็น 0 โวลท์ (ในทางปฏิบัติจะมีค่าแรงดันประมาณ 0.6-0.7 โวลท์) เนื่องจากไดโอดตัวใดตัวหนึ่งหรือทั้งสองตัวจะได้รับไบอัสตรงทำให้สามารถนำกระแสได้ ซึ่งเอาท์พุทที่วัด ณ.จุด Y เป็นการวัดตกคร่อมไดโอด แต่หากให้อินพุท A และ B ต่อกับ + 10 โวลท์ จะทำให้เอาท์พุทที่วัดได้ ณ.จุด Y เป็น + 10 โวลท์ เนื่องจากไดโอดทั้งสองตัวได้รับไบอัสกลับจึงไม่นำกระแส จึงเป็นการวัดค่าที่ได้จากแหล่งจ่ายแรงดัน
ส่วนรูปที่ 3.16 ก) เป็นวงจรไดโอดลอจิกที่ใช้แทน OR gate ซึ่งมีลักษณะที่การทำงานคล้ายคลึงกันคือ หากเราให้ทั้งอินพุท A และ B เป็น 0 โวลท์เอาท์พุทจะได้เป็น 0 โวลท์ เนื่องจากไดโอดทั้งสองตัวจะได้รับไบอัสกลับจึงไม่นำกระแส ทำให้ค่าที่วัดได้จากจุด Y ซึ่งวัดตกคร่อม R จะไม่มีแรงดันตกคร่อม แต่หากให้อินพุท A และ B ตัวใดตัวหนึ่งหรือ ทั้งสองอินพุท ต่อกับ + 10 โวลท์ จะทำให้เอาท์พุทที่วัดได้ ณ.จุด Y เป็น + 10 โวลท์ (ในทางปฏิบัติจะหักค่าแรงดันที่ตกคร่อมไดโอดขณะไบอัสตรงประมาณ 0.6-0.7 โวลท์) ทำให้ตัวใดตัวหนึ่งหรือทั้งสองตัวสามารถนำกระแสได้ ซึ่งเอาท์พุทที่วัดได้จะเป็นค่าแรงดันจากแหล่งจ่ายแรงดัน
 |
ก)
ลำดับ | อินพุท | เอาท์พุท | อินพุท | เอาท์พุท | ||
A | B | Y | A(V) | B(V) | Y (V) | |
1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
2 | 0 | 1 | 1 | 0 | +10 | +10 |
3 | 1 | 0 | 1 | +10 | 0 | +10 |
4 | 1 | 1 | 1 | +10 | +10 | +10 |
ข) Truth Table
รูปที่ 3.16 แสดงไดโอดลอจิกต่อเป็น OR gate
3.6 RTL (Resistor-Transistor Logic)
RTL จะเป็นวงจรลอจิกที่ประกอบไปด้วย Resistor และ Transistor จากรูปที่ 3.17 เป็นตัวอย่างของวงจร RTL ที่ใช้สร้างเป็น NOR gate ซึ่งมีการทำงานของวงจรคือ ถ้าให้อินพุท A และ B เป็น 0 ทั้งคู่ จะทำให้ที่ขาเบสของทรานซิสเตอร์ทั้งสองไม่มีกระแสไหลเข้า ทำให้ทรานซิสเตอร์ทั้งสองอยู่มรสภาวะ OFF ค่าที่ปรากฎที่เอาท์พุทจะเป็นการวัดตกคร่อมขา C และ E ของทรานซิสเตอร์ ซึ่งขณะนี้จะเป็นภาวะ Open Circuit ทำให้วัดที่เอาท์พุทได้เท่ากับ+Vcc แต่ถ้ามีอินพุท A และ B ขาใดขาหนึ่งหรือทั้งสองขา จะทำให้ทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งหรือทั้งสองตัว ON ค่าที่วัดได้ที่เอาท์พุทจะเท่ากับ 0 โวลท์หรือ 0.2 โวลท์
 |
รูปที่ 3.17 RTL ที่ต่อเป็น NAND gate 2 input
3.8 DTL (Diode-Transistor Logic)
 |
DTL เป็นไอซีที่มีโครงสร้างหลักภายในเป็นไดโอดและทรานซิสเตอร์ โดยไดโอดจะทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมไบอัสที่จ่ายให้แก่ขาเบสของทรานซิสเตอร์ ซึ่งทรานซิสเตอร์จะถูกต่อให้ทำงานในลักษณะของทรานซิสเตอร์สวิทช์ นั่นคือจะให้ผลที่เอาท์พุทในลักษณะของ ON และ OFF รูปที่ 3.18 เป็นวงจรตัวอย่างของ DTL ที่ถูกต่อเป็น NAND gate
รูปที่ 3.18 DTL ที่ต่อเป็น NAND gate 2 input
3.8 TTL (Transistor- Transistor Logic)
TTL เป็นการพัฒนามาจาก DTL ทำให้วงจรมีเสถียรภาพมากขึ้น โครงสร้างภายในจะประกอบด้วยทรานซิสเตอร์เป็นหลัก ซึ่งจากรูปที่ 3.19 เป็นวงจร TTL พื้นฐานที่ใช้เป็น NAND gate
 |
รูปที่ 3.19 เป็นวงจร TTL พื้นฐานที่ต่อเป็น NAND gate 3 input
ไอซี TTL เป็นตระกูลที่มีเบอร์เป็นตัวเลขที่ขึ้นต้นด้วย 74 ซึ่งมีชนิดแตกต่างกันไปตาม ฟังก์ชัน ลอจิก ความเร็ว การกระจายกำลัง และรูปร่าง ดังนี้
แบบ | ตัวเลขขึ้นต้น | ลักษณะ |
มาตรฐาน | 74 | รุ่นมาตรฐาน ราคาถูก ความถี่ที่ใช้งานถูกจำกัดที่ค่าความถี่ประมาณ 20 MHz |
กำลังงานสูง | 74H | ให้กำลังเอาท์พุทสูงสุด แต่สูญเสียกำลังมากที่สุด ความเร็วในการสวิทช์สูง ซึ่งจะได้ความเร็วประมาณ 6 nS |
กำลังงานต่ำ | 74L | กระจายกำลังต่ำที่สุด ความเร็วในการสวิทช์จะช้ากว่าแบบอื่น ๆ |
ช๊อตกี้ | 74S | ใช้ไดโอดชนิดช๊อตกี้ ทำให้มีความเร็วสูงสุด ซึ่งนิยมใช้ในย่านความถี่สูง |
CMOS | 74HC | มีความเร็วสูง |
กำลังงานต่ำและช๊อตกี้ | 74LS | เป็นที่นิยมสูงสุด เนื่องจากใช้กำลังงานต่ำและมีความเร็วสูงสุด |
ตารางแสดงตระกูลพื้นฐานของ TTL
3.9 CMOS (CMOS Logic)
ตระกูลซีมอสเป็นไอซีดิจิตอลอีกประเภทหนึ่งที่นิยมใช้กันมากนอกจากไอซี TTL คำว่าCMOS ย่อมาจาก Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ข้อได้เปรียบของไอซี CMOS เห็นจะได้แก่ ใช้กำลังไฟน้อย ใช้ไฟเลี้ยงได้สูง สัญญาณรบกวนจะสอดแทรกการทำงานได้ยาก ให้ความหนาแน่นของวงจรไอซีต่อชิพสูง แต่เนื่องจาก CMOS เป็นอุปกรณ์ที่มีอิมพีแดนซ์สูงมาก ดังนั้นประจุไฟฟ้าสถิตย์ที่มีค่ามาก ๆ อาจทำให้ส่วนของฉนวนที่เกทเกิดการเสียหายได้ ในการใช้งานจึงต้องระมัดระวังในการจับต้อง CMOS ปกติเราจะต้องเก็บไอซีประเภทนี้ไว้บนแผ่นสารตัวนำเพื่อกันไม่ให้มีการสะสมประจุที่ขาของไอซี ข้อเสียอีกประการหนึ่งของไอซี CMOS คือจะมีการทำงานค่อนข้างช้า ไอซีพวก CMOS ที่เห็นใช้งานกันจะมีตระกูลที่มีเบอร์ที่เป็นตัวเลขที่ขึ้นต้นด้วย 4000 หรือ 14000 ซึ่งสามารถใช้แทนเกทต่าง ๆ เช่นเดียวกับไอซี TTL นอกจากนี้ในการใช้งานไอซี CMOS จะต้องคำนึงถึงหลัการที่สำคัญดังนี้
1. อินพุทที่ไม่ได้ใช้ควรต่อกับ VSS หรือ VDD โดยมีตัวต้านทานขนาด 200 KW ถึง 1 MW ต่อคั่น
2. ขนาดของแรงดันอินพุทจะต้องไม่เกินช่วงแรงดันที่ใช้งาน VSS และ VDD เพราะจะทำให้ไดโอดที่มีไว้ป้องกันซีมอสในไอซีเกิดการเสียหายได้
3. ไม่ควรให้สัญญาณอินพุทกับไอซีก่อนป้อนไฟเลี้ยง
4. ในการโหลดเอาท์พุทของซีมอส ควรจะต้องพิจารณาขนาดของกระแสซิงค์และกระแสซอร์ส
5. ไม่ควรต่อ C คร่อมเอาท์พุทของซีมอส และเอาท์พุทก็ไม่ควรต่อกับ VSS หรือ VDD โดยตรง
6. ในการใช้ซีมอส ถ้าบังคับให้แรงดันอยู่ในช่วงกำลังเปลี่ยนสถานะ จะทำให้ซีมอสร้อนมาก และอาจเกิดการเสียหายได้
7. สัญญาณนาฬิกาที่ใช้กับซีมอส ควรมีช่วงเวลาขาขึ้น และขาลงไม่น้อยกว่า 5 nS และ 15 nS ตามลำดับ เพราะถ้าช้าและความถี่สูงจะทำให้ซีมอสร้อน
8. แหล่งจ่ายไฟที่ใช้ควนอยู่ระหว่างช่วง 3 – 15 โวลท์
9. ไม่ควรมีตัวต้านทานต่ออนุกรมกับแหล่งจ่ายไก่อนป้อนเข้า VDD
10. การสลับขั้วไฟเลี้ยงโดยบังเอิญ จะทำให้ซีมอสเกิดการเสียหายได้โดยทันทีทันใด
3.10 ค่าต่าง ๆ ที่ควรทราบของวงจรลอจิกเกท
ค่าปลอดสัญญาณรบกวน (noise immunity) คือ ขนาดของการเปลี่ยนแปลงแรงดันจากระดับที่ยังคงถือว่าเป็นลอจิกต่ำ หรือ สูง โดยวงจรลอจิกชนิดซีมอสจะมีค่าปลอดสัญญาณรบกวนดีกว่าแบบอื่น ๆ ซึ่งค่าต่าง ๆ เหล่านี้จะสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 3.20
รูปที่ 3.20 แสดงระดับแรงดันที่เป็นช่วงปลอดสัญญาณรบกวน
จากรูปที่ 3.20 ค่าต่าง ๆ ที่เป็นค่าแสดงการปลอดสัญญาณรบกวน คือ
ช่วงปลอดสัญญาณรบกวนระดับสูง = VOH,min - VIH,min
= 2.4 V - 2 V
= 400 mV
โดย ค่า VIH,min คือ ค่าต่ำสุดของแรงดันที่อินพุทที่ถือว่าเป็นระดับลอจิกสูง
ค่า VOH,min คือ ค่าต่ำสุดของแรงดันที่เอาท์พุทที่ถือว่าเป็นระดับลอจิกสูง
ช่วงปลอดสัญญาณรบกวนระดับต่ำ = VIL,max - VOL,max
= 0.8 V - 0.4 V
= 400 mV
โดย ค่า VOL,max คือ ค่าสูงสุดของแรงดันที่เอาท์พุทที่ถือว่าเป็นระดับลอจิกต่ำ
ค่า VIL,max คือ ค่าสูงสุดของแรงดันที่อินพุทที่ถือว่าเป็นระดับลอจิกต่ำ
ความเร็วในการทำงาน (Speed of Operation) คือ ช่วงเวลาที่อินพุทเปลี่ยนสถานะแล้วเอาท์พุทจะเปลี่ยนสถานะตามใช้เวลามากน้อยเพียงไรหรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าเวลาหน่วง (Delay Time) ปกติวงจรลอจิกชนิดCMOS จะมีเวลาในการทำงานช้าที่สุดนั่นคือจะมีเวลาหน่วงมาก ประมาณ 25 nS
การสูญเสียกำลัง (Power Dissipation) คือ กำลังไฟฟ้าที่เกทต้องการเพื่อให้ทำงานได้วงจรลอจิกซีมอสเป็นวงจรเกทที่มีการสูญเสียกำลังน้อยที่สุด ซึ่งจะวัดค่าเป็นมิลลิวัตต์ต่อไอซีหนึ่งตัวหรือต่อเกทหนึ่งเกท
ความสามารถในการต่อร่วมกัน ความสามารถในการต่อโหลดที่เอาท์พุทของเกจว่าต่อได้มากน้อยเพียงไรเราเรียกว่า แฟนเอาท์ (Fan-Out) และความสามารถในการรับอินพุทหรือตัวแปรที่แตกต่างกันเราเรียกว่า แฟนอิน(Fan-In)
กระแสซิงค์และกระแสซอร์ส (Current Sink and Current Source) ในขณะที่ต่อเกทร่วมกันถ้าเกิดกระแสไหลจากเอาท์พุทเข้าไปยังอินพุทของเกทตัวอื่นเราเรียกว่า กระแสซอร์ส ซึ่งจะเกิดกระแสลักษณะนี้เมื่อเอาท์พุทมีลอจิกเป็น “1” แต่หากเกิดการไหลของกระแสจากอินพุทไยังเอาท์พุทของอีกเกทหนึ่งเราเรียกว่ากระแสซิงค์ ซึ่งจะเกิดกระแสลักษณะนี้เมื่อเอาท์พุทมีลอจิกเป็น “0”
RTL | DTL | TTL | CMOS | |
เวลาหน่วง (โดยเฉลี่ย) | 12 nS | 30 nS | 12 nS | 25 nS |
การสูญเสียกำลังต่อเกท | 15 mW | 15 mW | 15 mW | 5 mS |
ค่าปลอดสัญญาณการรบกวน | แย่ | ดี | ดี | ดีมาก |
จำนวนแฟนเอาท์ | 5 | 8 | 10 | >50 |
ตารางแสดงการเปรียบเทียบค่าต่าง ๆ ระหว่างลอจิกเกทชนิดต่าง ๆ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น