Dijital Elektronik -7- Mantık Aileleri

Dijital elektronikte mantık kapılarını anlatmadan önce bu mantık kapılarının nasıl kurulduğunu sizlere anlatacağız. Öncelikle mantık devreleri dediğimizde transistörleri zikretmemiz gerekir. İlk transistör 1947 yılında Bell laboratuvarında üretilmiştir. Alan etkili transistörler ise teoride 1925 yılında Avusturyalı fizikçi Julius Edgar Lilienfeld tarafından keşfedilse de üretime geçmesi yine Bell laboratuvarında 1959 yılında olmuştur. Transistörler mantık devrelerini kurmak için olmazsa olmaz elemanlar olsa da bunları entegre devre haline getirip kullanabilmek çok önemlidir. İlk entegre devre 1958 yılında üretilmiştir. Entegre devrelerde mantıksal devrelerin içerisinde bulunan transistör, direnç ve kondansatör sıkıştırılmış halde tek bir çip üzerinde bulunmaktadır. Böylelikle yüzlerce elemanı tırnak ucu kadar alana sığdırma imkanımız olur.

İlk entegre devreler birkaç transistör içerip küçük ölçekli entegre (SSI) teknolojisine göre üretiliyordu. Bu teknolojide onlarca transistör kullanılabilse de gelişen teknolojide yüzlerce, binlerce ve hatta milyonlarca transistöre ihtiyaç duyulduğundan entegre etme seviyeleri giderek artmıştır. Entegre seviyelerini aşağıdaki listeden görebilirsiniz.

  • SSI (Küçük Çaplı Entegre İşlemi) : Çip başına 100’den az eleman. 
  • MSI (Orta Çaplı Entegre İşlemi) : Çip başına 500’den az eleman. 
  • LSI (Büyük Çaplı Entegre İşlemi): Çip başına 500-300000 eleman. 
  • VLSI (Çok Büyük Çaplı Entegre İşlemi): Çip başına 300 binden fazla eleman. 

Entegre devrelerin yanı sıra çeşitli mantık devresi kurma yöntemleri mevcuttur. Bu yöntemlere göre ayrılan mantık devrelerine “mantık aileleri” adı verilir. Mantık aileleri gelişen teknoloji ile farklı tip malzemeler ve elemanlar ile kurulmaya başlanmıştır. Bu aileler şu şekildedir,

  • DL (Diyot Mantığı)
  • DTL (Diyot-Transistör Mantığı)
  • RTL (Direnç-Transistör Mantığı)
  • TTL (Transistör-Transistör Mantığı)
  • ECL (Emiter çiftli mantık)
  • MOS (Metal oksit yarıiletken)
  • CMOS (Tümleyici Metal Oksit Yarıiletken)

Günümüzde entegrelere baktığımızda TTL ve CMOS ailelerinden olanları daha sık görmekteyiz. Genellikle basit işleri yapan entegreler TTL olurken mikroişlemci, mikrodenetleyici gibi parçalar CMOS üzerine yapılmaktadır. Bu teknolojinin gelişmesi ile daha verimli ve az maliyetli elemanlar üretilebilmektedir.

Dijital devrelerde gerilim parametreleri önemli bir noktadadır. Bir devrenin 0 veya 1 olması belli bir gerilim aralığında olmasıyla belirlenir. Bu gerilim aralığı ise mantık ailesine ve gerilim seviyesine göre belli değerler aralığında olmak zorundadır. Ayrıca belirsiz değer aralığı dediğimiz ikisinin arasında olan değerler vardır. Bundan daha önce bahsetsek de şimdi grafik ile beraber sizlere anlatalım.

Resimden görüldüğü gibi TTL tabanlı bir entegrede kabul edilebilir giriş sinyali aralığı 1 konumunda 5V ve 2V arasıdır. Sıfır konumunda ise 0 ile 0.8V arasıdır. Yani entegrenin girişine 5V-2V arası herhangi bir gerilim verdiğimizde dijial 1 olarak algılayacaktır. Burada değerin 3 mü 5 mi olduğunun bir önemi yoktur. 0.8V ile 2V arasındaki değer ise kabul edilemez değer olup asla kullanılmaması gereken değerlerdir. Mesela o ayağı boş bıraktığımızda elektriksel gürültüden dolayı bazen 0 bazen de 1 gösterebilir. O yüzden pull-up veya pull-down dirençlerini kullanıp besleme veya şaseye bağlayarak dijital sinyal seviyesini kabul edilebilir alana çekeriz. Çıkış sinyal seviyesinde ise 2.7V ile 5V arası dijital 1, 0 ile 0.5V arası dijital 0 olarak belirlenmiştir. İdeal olan ise dijital 0 için 0V, dijital 1 için 5V değeridir. Bütün sistemlerde mevcut olan gürültüden dolayı etkilenmemesi için sınır değerlerde kullanmamak iyi olacaktır. Gürültü marjı dediğimiz bu alanda çevresel gürültüden etkilenen sinyal kararsız bir yapıya bürünecektir. Giriş sinyali ve çıkış sinyali arasındaki farklılığın sebebi budur.

Mantık kapıları ve dijital sistemler için göz ardı etmememiz gereken bir nokta ise yayılma süresidir. Bu sinyalin 0’dan 1 konumuna ve 1 konumundan da 0 konumuna geçişteki yavaşlığıdır. Yani birden bire 1 konumuna veya 0 konumuna geçiş mümkün olmamaktadır. O yüzden datasheetleri okuduğumuzda 0 ile 1 sinyali sinyal grafiğinde açılı bir şekilde gösterilmektedir.

Şimdi mantık ailelerine sırasıyla bakalım ve örnek devreleri inceleyelim.

Diyot Mantığı (DL)

Diyot mantığı en basit mantık devreleridir. Transistör ve türevlerini kullanmdan yaptığımız tek mantık devresidir. Bu mantık devresinde NOT yani DEĞİL kapısını yapmak mümkün değildir. Aşağıdaki devrede diyotlar ile yapılmış iki girişli NAND kapısını görmekteyiz.

Direnç-Transistör Mantığı (RTL)

Burada diyot anahtarlar transistörler ile değiştirilmiştir. Yani transistör artık anahtarlamayı yapacaktır. Yalnız bu devrelerde akım çekimi fazla olduğu için çok güç tüketmektedir. Yine de basit yapısından ve az transistör istemesinden dolayı basit devrelerde kullanılabilir. Aşağıda iki girişli NAND kapısını görmekteyiz.

Burada Va ve Vb uçları 0 olduğu zaman şaseye akım akmaz ve 4.7k Pull-up direnciyle Vout çıkışı dijital 1 olur. Va ayağına bir tek akım geldiğinde Va’nın bağlı olduğu transistör akımı geçirse de Vb’nin olduğu transistör tarafından bu engellenir. Bu durumda Va ve Vb’nin dijital 1 olma durumunda akım şaseye akacağı için Vout dijital 0 olacaktır.

Diyot-Transistör Mantığı (DTL)

Diyot transistör mantığı DL mantığının transistör tarafından yükseltilmesiyle meydana gelir. RTL’den daha hızlı ve güç tüketimi daha düşüktür. Aşağıdaki devrede iki girişli NAND kapısını görmekteyiz.

Transistör-Transistör Mantığı (TTL)

TTL devreler günümüzde dahi kullanılmaktadır. Bu devrelerde diğerlerinden farklı olarak transistörler bolca kullanılmış ve hemen her işi yürütmek için transistörler tercih edilmeye başlanmıştır. TTL mantık ailesi 1964’de Texas Instruments firması tarafından duyurulmuştur. TTL mantığı sayesinde teknolojide büyük ilerleme sağlanmıştır. TTL entegreleri 74 serisi olarak yakından tanırız.

Bir sonraki yazımızda mantık kapılarına giriş yapacağız. Biz yazılarımızda en gerekli gördüğümüz yerleri anlattığımız için anlatmadığımız pek çok nokta kalıyor. Bunun farkında olmanız ve gerekli yerde kendiniz araştırma yapmanız lazımdır.

Bizi Facebook grubumuzda takip etmeyi unutmayın. Bilgili ve öğrenmeye hevesli bir topluluk oluşturmak istiyoruz.

https://www.facebook.com/groups/1233336523490761/

UYARI!!

Gökhan Dökmetaş

"Arduino Eğitim Kitabı" ve "Arduino ve Raspberry PI ile Nesnelerin İnterneti" kitaplarının yazarı. Başkent Teknoloji ve Dedektör Merkezi'nde Ar-ge Sorumlusu. Araştırmacı-Yazar.

You may also like...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.