Mi az, hogy nem teljesen digitális működés?
Az olvasóban felmerülhet a kérdés, hogy hogyan állíthatjuk egy digitális integrált áramkörről, hogy „nem teljesen digitális működésre” használjuk azt. A megértéshez egy kicsit érdemes tanulmányozni egy tipikus TTL kapu kapcsolási rajzát, amit itt egy SN7400 egyik kapuján szemléltetek. A rajzból az elektronikában kicsit járatosabb szem azonnal egy erősítőfokozatra asszociál és ez valóban így van: a V2-V3-V4 tranzisztorokból kialakított kapcsolás egy viszonylag nagy erősítésű, ellenütemben vezérelt kimenetű („push-pull”) erősítő, a bemeneten egy földelt bázisú fokozattal, aminek az a különlegessége jelen esetben, hogy a bemeneti pontok (emitterek) egyáltalán nincsenek a föld felé előfeszítve, „lebegnek”. Az áramkörrel megvalósított működés invertáló jellegű, azaz ha bármelyik bemenetet a GND-re kapcsoljuk, akkor a kimeneten magas potenciál alakul ki. A kapu bemenetén található különleges, kétemitteres V1 tranzisztort elképzelhetjük úgy, hogy két hagyományos tranzisztor van párhuzamosan kötve az emittereik kivételével; a tulajdonképpeni logikai funkció már itt megvalósul. A földelt emitteres bemeneti fokozat nagy sebességű kapcsolásokra alkalmas, az azt követő, 3 tranzisztoros erősítőfokozat a V2 áramának vezérlése által mindkét logikai állapotban aktívan hajtja meg a kimenetet. A kimeneti fokozat „egymás felett lévő” két tranzisztora és egy szinteltoló diódája miatt ezt az elrendezést „totemoszlop”-nak (totem pole, TP) is nevezik. Az erősítőfokozat kialakításából adódóan a kimenet alacsony állapotban több áramot képes leadni, mint magas állapotban. Ez igazodik a bemenet azon tulajdonságához, hogy „levegőben lógva” vagy magas állapottal vezérelve minimális bemeneti áramra van szükség, míg alacsony állapotba húzva nagyobb áram fog a bemeneten folyni. Az egész kapu tehát jelen esetben bármelyik bemenetére tekintettel (amennyiben az vagy össze van kötve a másik bemenettel vagy a levegőben lóg) gyakorlatilag egy nagy erősítésű invertáló erősítő.
Innentől kezdve kezd érdekes lenni egy ilyen digitális kapu. Ha a bemeneten a feszültséget növeljük, akkor valahol 1-1.4V között érjük ez azt a pontot, ahol a kimenet az addigi magas szintből átvált majd alacsonyba, de ez az átmenet sem ugrásszerű, több, különböző meredekségű átmeneti szakaszból áll. Az ábrára nézve világossá válik, hogy kell legyen valahol egy olyan pont, ahol a bemeneti feszültség és a kimeneti feszültség megegyezik. Ha a bemenetet a kimenettel összekötjük, akkor ezen a ponton fog beállni az egyensúly: ha felfelé növekedne, akkor a bemenetet is vinné, de ez ellentétes hatást váltana ki, a kimenetet csökkentené. Megvalósítottunk tehát egy negatív visszacsatolást, ezáltal a logikai kapunkat egy analóg munkapontba kényszerítve. Amennyiben a negatív visszacsatolás nem teljesen direkt, hanem valamilyen ellenállással történik, akkor kissé más munkaponton állhat be az egyensúly, viszont megmarad a lehetőség arra, hogy a bemeneti pontra csatolt analóg jellel az egész komplexumot a munkapont környékén kivezéreljük. Az egész működés ebben az esetben nagyon hasonlatos a műveleti erősítők invertáló alapkapcsolására. Jelen témánk, a kvarcoszcillátorok működése szempontjából ez a visszacsatolt erősítő-alapkapcsolás lényeges, hiszen az összes, digitális kapukkal felépített kvarcoszcillátor ilyen blokkokat használ.
Egy másik tipikus, kvázi analóg felhasználása a digitális kapuknak a viszonylag kis késleltetések megvalósítása digitális jelutakban, például dinamikus RAM-ok címzésekor a RAS-SELECT-CAS egymásutániságának biztosítása néhánytíz vagy 1-2 száz nanosecundumos eltérésekkel. Ilyenkor az egyik kapu digitális kimenete és a következő kapu bemenete közé egy RC tagot téve az első kapu kimenetének jelváltása a következő kapura nem közvetlenül kerül, hanem a töltődő kondenzátor 1/(e^(t/T)) görbe mentén változó feszültsége révén: amikor ez a feszültség eléri a billenési szintet, akkor a nagy erősítés miatt nagyon hamar átvált a kimenet. Az első kapu kimenetének változása és a második kapu bemenetén megjelenő, billenési pontot elérő feszültség közt eltelő időt a közbeiktatott RC tag határozza meg. Ebben az esetben a kaput egy nagyon nagy erősítésű erősítőfokozatnak használjuk és bár a kimeneti jel felfutása korántsem ideális (lassú, mivel az erősítés nem végtelen), a gyakorlatban ez nem szokott problémát okozni.
Miért probléma, ha analóg tartományban használjuk a digitális kaput?
Ha tudnánk pontosan, hogy milyen erősítőt és milyen felhasználásban szándékozunk beépíteni, akkor azt lehetne tervezni. Ám mivel a digitális áramkörök nem analóg üzemmódra lettek tervezve, ezért a gyártók nem is adnak meg ilyen jellegű paramétereket. Az adatlapokon feltüntetett, alacsony szintű maximális és magas szintű minimális be- és kimeneti feszültségszintek minden általánosan használt digitális családnál jól illeszkednek egymáshoz, ezért általános digitális felhasználásban jól cserélhetők fel illetve helyettesíthetők egymással különböző családokból származó IC-k ugyanabban az áramköri pozícióban. A digitális működés kapcsán is vannak persze lényeges paraméterek, amiket csere, helyettesítés alkalmával figyelembe kell venni, ezek a sebesség (jelkésleltetés) és a be- és kimenetek terhelési viszonyai. A terhelési viszonnyal azt szokták jellemezni, hogy az adott bemenet hány standard (családjelölés nélküli) 74-es TTL kapu terhelését jelenti az előző fokozat kimenetének, illetve kimenet esetén hány ilyen standard bemenetet képes meghajtani. Mivel a standard TTL család be- és kimenetei sem szimmetrikusak alacsony és magas szinteknél, ezért a be- és kimeneti terhelési viszonyokat is meg szokták adni külön magas és alacsony szintre is.
Kvázi analóg felhsználás esetén azonban nincsenek adatlapi adataink, nem túl jól tudunk tervezni. A TTL kaput erősítőnek tekintve a legalapvetőbb paraméter, az erősítés sem áll rendelkezésre, ráadásul a be- és kimeneti impedanciát nézve még az erős aszimmetria is hozzájön. Így aztán nem túl meglepő, hogy ezekben a felhasználásokban már az akkori TTL családok sem voltak gondolkozás nélkül cserélhetők. Az idő előre haladtával, az újabb gyártási technológiák térnyerésével olyan új digitális családok születtek és terjedtek el, amik a fejlesztések eredményeképp sokkal hatékonyabban tudták ugyanazokat a feladatokat elvégezni: kisebb fogyasztással, alacsonyabb szükséges tápfeszültséggel, esetenként sokkal szélesebb lehetséges tápfeszültség-tartománnyal. A gyártók egy ideig a fejlesztések során figyelembe vették azt a fontos szempontot, hogy az eredeti TTL családokkal való kompatibilitás megmaradjon, de ez leginkább a tápfeszültségtartományban és a be- és kimeneti feszültségszintekben jelentkezik. A digitális működés szempontjából „lényegtelen” tulajdonságokat az új családoknál viszonylag könnyedén felülírták, ilyenek például a bemeneti és kimeneti terhelési viszonyok: az új áramköri családok bemenetei nagyságrendekkel kisebb terhelést jelentenek, a kimeneteik pedig általában eleve nagyobb terhelhetőségűek, mint a standard TTL család tagjaié, továbbá az aszimmetria is eltűnt a be- és kimenetek kapcsán.
Hamarosan folytatódik…
