Spanningen en stromen bij digitale signalen - PowerPoint PPT Presentation

aysha
spanningen en stromen bij digitale signalen n.
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Spanningen en stromen bij digitale signalen PowerPoint Presentation
Download Presentation
Spanningen en stromen bij digitale signalen

play fullscreen
1 / 93
Download Presentation
130 Views
Download Presentation

Spanningen en stromen bij digitale signalen

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

  1. Spanningen en stromenbij digitale signalen Originele presentatie van Peet Ferwerda van Friesland College (NL), aangepast en aangevuld door Dirk Smets, Katholieke Hogeschool Limburg - dep. IWT (B) Klik op deze toets

  2. Menu - Voer de onderstaande onderdelen één voor één uit. - Onthoud, als je stopt, waar je bent gebleven. Voer in geval van twijfel een onderdeel meerdere malen uit. 1 Wat zit er in een IC? 2 Spanningen in en uit 3 Stromen in en uit 4 De FAN-OUT Andere belastingen 5 Stoppen

  3. Wat zit er in een IC? In een digitaal IC zitten transistoren (TTL logic) of FETs (HCT logic). Wat er precies in zit is niet belangrijk. Maar hoe de ingangen en uitgangen werken is wel van belang! Dit heeft namelijk te maken met de manier waarop we IC’s aansluiten. Bovenstaande figuur komt uit de datasheet van de 74HCT00. (http://eu.st.com/stonline/products/selector/index.htm)

  4. Wat zit er in een IC? De ingangen van alle HCT IC’s kunnen we voorstellen als diodes in sper. Of de ingang nu 1 (UIN = 5V = UCC) is of 0 (UIN = 0V = GND), de diodes geleiden nooit. De weerstand van de diodes is dan zeer hoog! Door een ingang van een HCT IC loopt altijd slechts een zéér kleine stroom!

  5. Wat zit er in een IC? De uitgang van dit IC wordt gemaakt door 2 FETs. Dit zijn bijzondere transistoren. De FETs worden altijd zo aangestuurd dat ze of sperren of geheel geleiden. Eén van beide spert en de andere geleidt.


  6. Wat zit er in een IC? UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND In de rest van dit instructieprogramma gaan we het IN en OUT schema vervangen door de groene afbeelding. Nogmaals: er zit meer in het IC. Dit is alleen een weergave van de ingangs- en uitgangsschakelingen.

  7. Wat zit er in een IC? UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND Dit is het laatste scherm van dit onderdeel. Je kan terug naar het menu (huisje) of verder met het volgende onderdeel: Spanningen IN en OUT.

  8. Spanningen IN en OUT UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND We gaan uit van het vervangingsschema van de in- en uitgang. Het is toepasbaar op alle logische families :HCT, TTL, LS, S, F, etc.

  9. Spanningen IN en OUT UCC De uitgang (output) + 5V UOH T1 Ra input output U is spanning Rb T2 V Output Output is High = 1 0V GND De uitgang wordt logisch 1 (H) als T1 geleidt en T2 spert. We krijgen op de uitgang een hoge spanning, die we symbolisch noteren als : UOH De uitgang wordt logisch 1 (H) als T1 geleidt en T2 spert.

  10. Spanningen IN en OUT UCC De uitgang (output) + 5V UOH T1 Ra input output Rb T2 V 5V ? 0V GND De uitgang wordt logisch 1 (H) als T1 geleidt en T2 spert. We noteren dit als : UOH Kan deze spanning exact gelijk worden aan +5 Volt ?

  11. Spanningen IN en OUT UCC De uitgang (output) + 5V UOH ,MIN T1 Ra input output Rb T2 V UOH < UCC 0V GND Neen! Er zullen intern in het IC steeds spanningsvallen optreden, omdat er stromen vloeien door weerstanden enz. Daarom zal UOH steeds een beetje lager zijn dan de gebruikte voedingsspanning UCC . De fabrikant zal een waarde opgeven waaraan deze spanning zeker zal voldoen; hij zegt dat de spanning op de uitgang als deze hoog is steeds MINSTENS gelijk zal zijn aan zoveel Volt en duidt dit aan met UOH,MIN .

  12. Spanningen IN en OUT UCC De uitgang (output) + 5V UOH,MIN T1 Ra input output Rb T2 V UOH 2,4 V 0V GND Voor TTL-IC’s bedraagt deze waarde: UOH,MIN = 2,4 V

  13. Spanningen IN en OUT + 5V T1 Ra input output Rb T2 V 0V GND De uitgang (output) UOL U is spanning Output Output is Low = 0 De uitgang wordt logisch 0 (L) als T2 geleidt en T1 spert. We noteren dit als : UOL De uitgang wordt logisch 1 (H) als T1 geleidt en T2 spert.

  14. Spanningen IN en OUT + 5V T1 Ra input output Rb T2 V 0V GND De uitgang (output) UOL ,MAX UOL > 0 V Ook hier zal de uitgangsspanning nooit helemaal gelijk aan 0 V kunnen worden. De fabrikant zal nu zeggen dat de spanning op de uitgang als deze laag is steeds MAXIMAAL gelijk zal zijn aan zoveel Volt en duidt dit aan met UOL,MAX .

  15. Spanningen IN en OUT + 5V T1 Ra input output Rb T2 V 0V GND De uitgang (output) UOL,MAX UOL 0,4 V Voor TTL-IC’s bedraagt deze waarde: UOL,MAX = 0,4 V

  16. Spanningen IN en OUT UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND SAMENGEVAT: Voor TTL-IC’s bedragen de uitgangsspanningen: UOL,MAX = 0,4 V UOH,MIN = 2,4 V

  17. Spanningen IN en OUT UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND En hoe zit dit aan de zijde van de INGANG ?

  18. Spanningen IN en OUT UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND De ingang (input) UIH,MIN “1” UI UIH,MIN U is spanning Input Input is High = 1 Wanneer er op de ingang een spanning wordt aangesloten die hoger is dan UIH,MIN, dan zal èlk IC van de gegeven familie dit als een logische 1 beschouwen. Voor TTL-IC’s bedraagt deze waarde: UIH,MIN = 2,0 V

  19. Spanningen IN en OUT UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND De ingang (input) UIL,MAX “0” UI UIL,MAX U is spanning Input Input is Low = 0 Gelijkaardig zal, wanneer er op de ingang een spanning wordt aangesloten die lager is dan UIL,MAX, èlk IC van de gegeven familie dit als een logische 0 beschouwen. Voor TTL-IC’s bedraagt deze waarde: UIL,MAX = 0,8 V

  20. Spanningen IN en OUT We stellen vast dat er een verschil is tussen de minimale waarden voor een logische ‘1’ voor de uitgangsspanning enerzijds en voor de ingangsspanningen anderzijds. Dit is eveneens het geval voor de maximale waarden voor een logische ‘0’. We zien dat de spanningen aan de uitgangszijde dichter liggen bij de ideale 0 V voor de logisch 0 en bij de +5 V voor de logische 1. Aan de ingangszijde mag deze spanning nog wat verder hiervan afwijken, zonder problemen te veroorzaken in het herkennen van een logische 0 of een logische 1. Dit verschil in grenswaarde noemen we de DC RUISMARGE (of NOISE MARGIN). Hoe groter deze ruismarge is, hoe minder gevoelig de schakeling zal zijn voor ruis.

  21. Spanningen IN en OUT 1 UOUT UIH UIH,MIN Deze ingangsspanning wordt aangesloten op deze schakeling. Vervolgens wordt er ruis aangebracht op het signaal. We zien dat de spanning op één plaats onder de ondergrens UIH,MIN daalt. Hierdoor kan er een ‘spike’ of ‘glitch’ ontstaan op de uitgang.

  22. Spanningen IN en OUT Wat gebeurt er nu als we op de ingang een spanning aansluiten met een niveau dat ligt tussen de grenswaarden UIH,MIN en UIL,MAX ? Wel, dat kunnen we niet voorspellen. Voor één en dezelfde spanning kan het zijn dat het ene IC dit zal interpreteren als een logische 1, terwijl een ander IC (zelfs van hetzelfde type) dit als een logische 0 kan zien. Het zou ook kunnen gebeuren dat de uitgang begint te oscilleren (voortdurend omkippen tussen 0 en 1); dit is uiteraard ongewenst. VERBODEN ZONE Deze ondefinieerbare toestand wordt natuurlijk best vermeden. Daarom noemen we dit spanningsgebied tussen beide grenswaarden de verboden zone.

  23. Spanningen IN en OUT Hoe zit het met deze spanningsniveaus bij CMOS-IC’s ? We zien dat bij CMOS de uitgangsspanningen veel dichter liggen bij de ideale 0 V voor de logisch 0 (UOL,MAX = 0,33 V) en bij de +5 V voor de logische 1 (UOH,MIN = 4,4 V) : er vloeit haast geen stroom in een CMOS-IC en we hebben dus ook nagenoeg geen intern spanningsverlies. Aan de ingangszijde liggen de grenswaarden bij 30% en 70% van de voedingsspanning. De DC RUISMARGE (NOISE MARGIN) is bijgevolg aanzienlijk groter dan bij TTL: voor HCMOS bedraagt ze ongeveer 1 V, waar dit bij TTL slechts 0,4 V was.

  24. Spanningen IN en OUT Dit is het laatste scherm van dit onderdeel. Je kan terug naar het menu (huisje) of verder met het volgende onderdeel: STROMEN IN EN OUT.

  25. Stromen IN en OUT UCC + 5V Ook hier gaan we weer uit van het vervangingsschema van de in- en uitgang. Het is toepasbaar op alle logische families :HCT, TTL, LS, S, F, etc. T1 Ra input output Rb T2 0V GND

  26. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V 10 kW T1 Ra input output De ingang HOOG maken Rb T2 0V GND We kunnen op de ingang een 1 plaatsen door deze te verbinden met de 5 Volt voedingsspanning UCC. Dit kan rechtstreeks of eventueel via een weerstand van bv. 10 kW. Daar de ingangsweerstand hoger is dan één megaohm, is de spanning op de ingang bijna 5V. Een logische 1 dus.

  27. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V 10 kW T1 Ra input output Rb T2 0V GND In deze situatie gaat er een kleine stroom lopen volgens de gele pijl : van de + van de voeding (UCC), door de weerstand van 10k, via de ingang door Rb naar de - van de voeding (GND).

  28. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 De ingang is logisch 1. In datasheets noteert men dit meestal met de H van high (hoog). De stroom die door de ingang loopt als deze 1 is, noemen we IIH 0V GND

  29. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V T1 Ra input output IIH Rb T2 IIH I is stroom 0V GND Input Input is high = 1

  30. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 IIH 0V GND De grootte van IIH wordt hoofdzakelijk bepaald door de waarde van Rb.

  31. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 IIH 0V GND Bij de HCT logic serie is IIH zeer klein; slechts enkele nA’s. Maar bij de TTL IC’s is de waarde van IIH ongeveer 40 mA . De grootte van IIH wordt hoofdzakelijk bepaald door de waarde van Rb.

  32. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V T1 Ra input output De ingang LAAG maken Rb T2 1 kW 0V GND We kunnen op de ingang een 0 plaatsen door deze te verbinden met de 0 (- pool) van de voedingsspanning (GND). Eventueel kan dat via een weerstand. Daar de ingangsweerstand Ra vrij hoog is, is de spanning op de ingang bijna 0V. Een logische 0 dus. Bij TTL IC’s mag de weerstand echter niet te hoog zijn. Neem b.v. 1 kW .

  33. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 1 kW 0V GND In deze situatie gaat er een kleine stroom lopen volgens de gele pijl : van de + van de voeding (UCC) via Ra en via de weerstand van 1 k naar de massa (GND = 0 V).

  34. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND De ingang is logisch 0. In datasheets duiden ze dat meestal aan met de L van Low. De stroom die door de ingang loopt als deze 0 is, noemen we IIL

  35. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V IIL T1 Ra input output IIL Rb T2 0V I is stroom GND Input Input is low = 0

  36. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V IIL T1 Ra input output Rb T2 0V GND De grootte van IIL wordt hoofdzakelijk bepaald door de waarde van Ra.

  37. Stromen IN en OUT De ingang (input) UCC + 5V IIL T1 Ra input output Rb T2 0V GND Bij de HCT logic serie is IIL zeer klein; enkele nA. Maar bij de TTL familie is de waarde van IIL ongeveer 1,6 mA. De grootte van IIL wordt hoofdzakelijk bepaald door de waarde van Ra.

  38. Stromen IN en OUT De uitgang (output) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND Nu gaan we de uitgang bekijken.

  39. Stromen IN en OUT De uitgang (output) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V GND De uitgang van een digitaal IC bezit meestal 2 transistoren of FETs. Hier T1 en T2.

  40. Stromen IN en OUT De uitgang (output) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 0V Omdat de transistoren als het ware boven op elkaar gestapeld zijn, noemt men zo’n uitgang een TOTEMPAAL uitgang. GND De uitgang van een digitaal IC bezit meestal 2 transistoren of FETs. Hier T1 en T2.

  41. Stromen IN en OUT De uitgang (output) UCC + 5V UCC + 5V T1 Ra input output T1 Ra Rb T2 input output Rb T2 0V GND 0V 0V GND De transistoren werken als schakelaars. We kunnen ons de uitgang voorstellen zoals de rechter figuur weergeeft.

  42. Stromen IN en OUT De uitgang (output) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 V 5V 0V GND De uitgang wordt logisch 1 (5V) als T1 geleidt en T2 spert.

  43. Stromen IN en OUT De uitgang (output) UCC + 5V T1 Ra input output Rb T2 belasting 0V GND De stroom die de transistor T1 maximaal mag leveren noemen we IOH. De stroom die werkelijk gaat lopen wordt bepaald door de belasting.

  44. Stromen IN en OUT De uitgang (output) UCC + 5V IOH T1 Ra input output IOH max I is stroom Rb T2 belasting Output 0V Output is high = 1 GND De stroom die de transistor T1 maximaal mag leveren noemen we IOH. De stroom die werkelijk gaat lopen wordt bepaald door de belasting. Daarom spreken we meestal van IOH max.

  45. Stromen IN en OUT + 5V T1 Ra input output Rb T2 V 0V 0V GND De uitgang (output) UCC De uitgang wordt logisch 0 (0 V) als T2 geleidt en T1 spert.

  46. Stromen IN en OUT De uitgang (output) UCC + 5V IOL max belasting T1 Ra input output Rb T2 0V GND De stroom die maximaal door transistor T2 mag lopen, noemen we IOL . De stroom die werkelijk gaat lopen wordt bepaald door de belasting.

  47. Stromen IN en OUT De uitgang (output) UCC + 5V IOL max IOL belasting T1 Ra input output I is stroom Rb T2 Output 0V Output is low = 0 GND De stroom die de transistor T2 maximaal mag leveren noemen we IOL . De stroom die werkelijk gaat lopen wordt bepaald door de belasting. Daarom spreken we meestal van IOL max

  48. Stromen IN en OUT UCC UCC + 5V + 5V IOL max OUT = 1 T1 belasting T1 output IOH max output T2 T2 OUT = 0 belasting 0V 0V GND GND Let goed op de stroomrichtingen !

  49. Stromen IN en OUT UCC UCC + 5V + 5V OUT = 1 T1 belasting T1 output output T2 T2 OUT = 0 belasting 0V 0V GND GND 74 Normale TTL logica IOH max = 400 mA IOL max = 16 mA De maximaal toelaatbare stromen verschillen per logische familie !

  50. Stromen IN en OUT UCC UCC + 5V + 5V OUT = 1 T1 belasting T1 output output T2 T2 OUT = 0 belasting 0V 0V GND GND Low Power Schottky (LS) 74LS IOH max = 400 mA IOL max = 8 mA De maximaal toelaatbare stromen verschillen per logische familie !