ไอซีดิจิตอล

ขอมลู สว นใหญ นาํ มาจาก http://www.learnabout-electronics.org//Digital/dig20.php และ Charles Platt. Make: Electronics, 2ed. Maker Media. 2015. ตระกูลไอซี (IC Logic) โลจิก 0 และ 1 เปนบิท (bit) อยางหนง่ึ ทส่ี ามารถแปลงจาก แรงดันไฟฟา เชน จาก 0 โวลต ไปเปน 5 โวลต วงจรรวม หรอื ไอซี (Integrated Circus) นาํ โลจิก 0 และ 1 ประกอบกันเปนวงจรท่ีซับซอน ในบทน้ี นาํ เสนอตระกูลไอซีตา งๆ และอธิบายการทาํ งานของไอซี โดยเฉพาะชุด 74 ซึง่ เปนไอซีหลักท่ีใชใ นงานอิเลก็ โทรนิกส มากวา 50 ป และเหมาะสมการเรียนรูโลจิกพ้ืนฐาน ลาํ ดบั ที่ 74 รูป 1 ไอซี แบบ S (บน), N (ลา ง) ไอซีเลขลําดับท่ี 74 เปนตวั เลขที่เปนสว นหนึ่งของชี่อ โดยหมายถึง การคา หรอื ไอซี เพอื่ การคา (Commercial Grade) เชน SN74LS08N โดยท่ี  SN จะหมายถึงชอ่ื บริษัทท่ีผลิต ซึ่งคอื บริษัท Texas Instruments  LS หมายถงึ Low-power Schottky เปนชนิดไอซีประเภทหนึง่ ถาเปน HC มาจาก High speed CMOS แตถาเปน HCT มาจาก High speed CMOS, TTL compatible  08 หมายถงึ ชนดิ โลจิก AND  N หมายถงึ มีขาสองแถว DIP (Dual inline package) ถาเปน S หมายถึง ขาขนาดเล็ก (Surface-mount package) การใชงานรว มระหวางตระกลู ไอซี ไอซีแตล ะตระกลู ตอ งการใชแรงดันไฟท่ตี างกัน ในเม่ือมีความตอ งการความสามารถใชไอซีท่ีมา จากตางตระกูลกัน สามารถทาํ ไดโดยตอเชื่อมผาน I/O ซง่ึ ตอ งการวงจรเสริมเพื่อปรับความเขา ได อกี เล็กนอย ขนาดของวงจรรวม RTL (resistor-transistor logic) และ DTL (diode-transistor logic) ไดถ ูกนาํ มาใชกับ คอมพวิ เตอรใ นยุคแรกๆ และถูกแทนที่ดว ย TTL(transistor-transistor logic) ซึ่งกลายเปน เทคโนโลยีที่สําคัญในยุคปจจุบัน รูป 2 ลาํ ดับขนาดของวงจรรวม  SSI (small scale integrated) เปนยุคแรกๆ ของการพัฒนาไอซี ซึ่งใช ทรานซิสเตอรจาํ นวนไมมากตอไอซตี ัวหน่งึ  MSI (Medium scale integrated) เปนการใช ทรานซิสเตอรจํานวนมากขึ้น หรอื ราว 100 กวา ตัวของทรานซิสเตอร 1

 LSI (large-scale integrated) เปนการใช ทราซซิสเตอรจํานวนมาขึ้น ซึ่งใหความรอนเกิดขั้นไดมาก เปนเหตุใหตอ ง พฒั นา เกท ใหใชพ ลงั งานนอยลง ดงั นั้นจึงไดเกิดการผลติ เซมิคอนดักเตอร ท่ีเรียกกันวา CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) มีการเรยี กเลขลําดบั (Series) วา 4000 เชน 4011 เปนประเภทเกท NAN  VLSI (very large-scale integrated) เปนการรวมทรานซิสเตอรจํานวนมหาศาส ของ TTL จํานวนลา นๆ ตัว หรือหลาย พันลา นตัว กําลงั และความเรว็ โลจิกเกทที่ดี ความเปล่ียนสถานะไดทันที และใชกําลงั ไฟฟาเพียงเล็กนอ ย หรือไมใ ชเลย แตในความเปนจริงแลว เปนไปไมไดเลย วงจรอิเล็กทรอนิกสตองใชเวลาชวงหน่ึงท่จี ะเปลี่ยนสถานะ และใชกําลังจาํ หนวนหนง่ึ แนวการผลิตไอซี จึงมสี องทางเลือกคือ เลอื กท่ี ใชกําลังไฟฟาใหนอ ยท่สี ุด กับเลือกท่ีเปล่ียนสถานะใหเร็วท่ีสุด CMOS เปนไอซี ทอ่ี อกแบบมาเพ่ือใหใชกาํ ลงั ไฟฟาใหนอยเทา ท่ีจะนอ ยได ในขณะท่ี TTL ออกแบบมาเพือ่ ใหทาํ งานเปลี่ยนสถานะ โลจิกใหเรว็ ที่สุดเทา ที่จะเร็วได การเพื่อความเรว็ เทากับการเพิ่มการใชกําลงั ไฟฟา สองอยา งนี้แปรผันตามกัน รูป 3 ตระกูลไอซี เทียบความเร็ว กับกําลังไฟฟา ไอซีตระกูล ECL (Emitter Coupled Logic) ออกแบบเพอื่ ใหทํางานไดเ รว็ แตก็ใชกาํ ลังไฟฟา จาํ นวนมาก ซึ่งใช กาํ ลงั ไฟฟาทางลบ (-5.2V) ทาํ ใหตอ เช่อื มกับอุปกรณอื่นไดยาก ตอมาไดพฒั นา เปน PECL (Positive ECL) ซ่ึงใชกําลังไปทางบวก (+5V) ทําใหแกป ญหาการใชงานรวมกับอุปกรณ อ่นื และ LVPECL (Low Voltage Positive ECL) ใชแรงดันไฟฟา (+3..3V) ทําใหใชงานรวมกับ ตระกูลไอซีอื่นไดมากขึ้น การทํางานของโลจิกเกท เทคโนโลยวี งวรรวมขนาดเล็ก (SSI) และขนาดกลาง (MSI) ณ ปจจบุ ัน มีอยูหลายตระกลู และ หลายรูปแบบ โดยพื้นฐานทแี่ ตกตางจาก 3 เทคโนโลยี TTL, CMOS, และ ECL TTL รปู 5 Transistor TTL ใชเกท ตอ งการแรงดันไฟฟา 5 V โดยการใช ไบโพลา ทรานซิสเตอร (Bipolar transistors) ทาํ ใหตอ งการกําลงั ไฟฟามากกวา CMOS แตใ หความเรว็ ทส่ี ูงกวา (ความถี่) 2

การดําเนินการ จากรูป 4 ทรานซิสเตอร TR1 มี 2 อินพุท กรณีมแี รงดันไฟฟา 5V ซึ่ง เทากัน โลจิก 1 จะทําให โลจิก ของ Q เปน 0 หรอื กราวด ทาํ ให ไม กระแส ไปสู Base (อนิ พุทของ TR2) จงึ ปองกันใหทรานซสิ เตอร TR2 ปอ งกันกระแสไหลจาก R2 ไป Collector รูป 4 TTL NAND แตถา อินพุท A หรือ เปน 1 ตัวใดตัวหน่งึ และอีกตวั หน่ึง เปน 0 จะทําให Q มีโลจิกเปน 1 เพราะ Base (อนิ พทุ ของ TR2) มีแรงดัน ทําให ทรานซิสเตอร TR2 มีกระแสไหลจาก R2 ไป Collector ไปจนถงึ Emitter SN 7400 เปนไอซี ทําหนาท่ีเปน รูป 6 TTL Chip NAND Gate NAND Gate มี 4 เอา ทพ ุท หรือ NAND Gate 4 ตัว เปนไอซีท่ีไดรับ CMOS เปนไอซีท่ีทํางานไดหลายยา นแรงดัน โดยท่ัวไป อยูท่ี 3 ถึง 18 โวลต ความนิยมสูง ที่เคยใชประกอบ และยังใชพลังงานนอยกวา TTL ชื่อ CMOS ยอ มาจาก Complementary เคร่ืองคอมพวิ เตอรเมนเฟรมมากอน Metal Oxide Semiconductor ไอซีนี้ใช ทั้งทรานซิสเตอร MOSFET ชนดิ P ในป ค.ศ. 1960 และ 1970 และ N ดังแสดงในรูป 7 CMOS การดําเนินการ T1 และ T2 เปน ทรานซสิ เตอร ชนิด P ทรานซิสเตอรตัวใดตัวหนง่ึ ทาํ งาน (turn on) จะมีโลจิกเปน 0 ในขณะที่ T3 และ T4 เปนทรานซสิ เตอรชนิด N P ทรานซิสเตอรตัวใดตัวหนึ่ง ทํางาน (turn on) จะมีโลจิกเปน 1 T1 และ T2 ตอขนานกันอยู ดงั นั้นไมว าตัวใดมีสถานะ ทํางาน (turn on) จะ ใหผลเปนโลจิก 1 ที่เอาพุท X รปู 7 CMOS NAND Gate Schamatic 3

T3 และ T4 ตอกันแบบขนาน ระหวาง x กับ กราวด ดังน้ันเม่ือ ท้ังคู ปดสวิตส (turn ตาราง 1 CMOS NAND โลจิก on) โลจิก 0 จะเปนท่ี X ตางราง 1 แสดงโลจิกของ อินพุท A และ B โดยท่ี A ควบคุม T2 และ T3 ถา A เปน 0 จะได T2 เปน NO แต T3 เปน OFF สว น B ควบคมุ T1 และ T4 ถา B เปน 0 T1 เปน ON แต T4 เปน OFF ไอซีที่หนา ท่ีเปน CMOS NAND gate คอื เลข 4011 ดงั รูป 8 รูป 8 CMOS 4011 NAND Gate รปู 9 Invertor NAND Gate สรา งทุกโลจิกไดดว ย NAND Gate NOT R สามารถใช NAND เกท แทนไดด วยการตอ ขาหน่งึ ไวกับ โลจิก 1 ซ่ึงคือ มีแรงดันไฟฟาคงทไ่ี ว ดังรูป 9 เชน ถาให R เปน 0 จะได X เปน 1 แตถ า ได R เปน 1 จะได X เปน 0 นอกจาก NOT เกตแลว ยังสามารถ ใช NAND Gate แทน เกตอ่ืนๆ ได ดังรูป 10 ใหสังเกตวา การตอ NAND เกท สาํ หรับ Invertor ใชการตอติดกับขาเดียวกัน ก็ใหผลเหมอื นกันกับ การตอ กับคาคงท่ี โลจิก 1 รปู 10 NAND Gate แทน NOT, AND, และ OR 4