Neden NAND kapıları bilgisayarlarda AND kapıları yapmak için kullanılır?

Bu neden AND kapıları için bir standarttır?

iki FET ve bunun yerine bir dirençle ne zaman yapılabilir?

Mantık için ters çevrilmemiş bir işlem elde etmek için (yani, VE veya VEYA VEYA NAND veya NOR), transistörleri "tahliye takip modu" olarak da bilinen ortak tahliye modunda çalıştırmanız gerekir.

Mantık için bu mod ile ilgili sorunlar arasında:

• Gerilim artışı yoktur. Birkaç aşamadan sonra, sinyal hiçbir şeye düşmez.
• Girişler ve çıkışlar arasında önemli bir ofset (eşik voltajı denir) vardır. Yüksek seviye çıkış, ilgili yüksek seviye girişinden daha düşük olacaktır.

Birlikte, bu sorunlar, bu geçidin çıktısını başka bir kopyasının girişlerine bağlayamayacağınız anlamına gelir. Bu daha karmaşık devreler inşa etmek için oldukça yararsız hale getirir.

Bu nedenle, tüm başarılı mantık aileleri ¹ , girişler ve çıkışlar arasında önemli voltaj kazanımına ve kümülatif kaymalara sahip olmayan, ortak kaynak (veya ortak yayıcı) modunda transistörler kullanılarak üretilir - ancak çıkış, girişe göre ters çevrilir. Bu nedenle, temel fonksiyonlar bir inversiyon içerir: NAND veya NOR.

Bir bonus olarak, NAND ve NOR geçitleri "işlevsel olarak tamamlanmıştır", yani tüm NAND geçitlerinden veya tüm NOR geçitlerinden herhangi bir mantık işlevi (mandallar ve flip-floplar gibi depolama elemanları dahil) oluşturabilirsiniz.

¹ Özel olmak gerekirse, mantık durumları olarak gerilimleri kullanan mantık aileleri. Buna RTL, DTL, TTL, PMOS, NMOS ve CMOS dahildir. ECL gibi mevcut mod mantık aileleri gerçekten de doygunluktan kaçınırken (hız için) aynı uçları elde etmek için yayıcı izleyicileri ve ortak-baz transistörlerini bir arada kullanıyor.

Tanımladığınız şey PMOS mantığı . CMOS'a göre bazı önemli dezavantajları var:

• Direnç değeri düşükse, kapı aktifken kapı önemli miktarda statik güç tüketir. CMOS kapıları, aktif olarak anahtarlamadıklarında esasen güç harcamazlar.

• Direnç değeri yüksekse, kapı kapanmak için yavaştır, çünkü çıkış tarafından sürülen kapıların kapasitansı direnç üzerinden boşaltılmalıdır. Ek olarak, yüksek değerli bir direnç, bir dizi tamamlayıcı transistörün alacağından daha fazla alan tüketecektir.

• Proses ile ilgili nedenlerden ötürü PMOS, ters NMOS mantığından daha az verimlidir .

Henüz kimsenin bahsetmediğini sanmamın bir nedeni: Teknoloji kısıtlamaları:

1. Çip üzerindeki dirençler, transistörlere kıyasla çok büyüktür . İyi bir değer elde etmek için, en küçük transistörlerden daha büyük büyüklükteki emirlerden bahsediyoruz. Başka bir deyişle, uygun CMOS (statik akım, sürüş seviyeleri, çıktı dönüşü) ile elde ettiğiniz diğer tüm avantajların yanında, aynı zamanda çok daha ucuzdur.

2. Desenlendirme: Mantık üzerindeki transistörler o kadar küçük olabilir, çünkü bunlar tekrarlı bir şekilde desenlenir. Bu aynı zamanda daha yüksek verim ve daha tutarlı performans elde etmelerini sağlar. Dirençlere atmak bunu mahveder.

3. Kapasitans: Bir mantık sistemindeki hız sınırlaması bir sonraki aşamadaki kapasitanstır. Daha fazla kapasitans daha yavaş (daha az performans) veya daha fazla tahrik gücü gerektiği anlamına gelir (daha büyük transistörler, daha fazla alan, daha fazla statik akım, daha fazla güç tüketimi, bir önceki aşamaya daha fazla kapasitans). Büyük bir direnç muhtemelen fiziksel olarak geniş bir alanı kapladığı için şarj etmek için çok fazla kapasite verecektir. Bu performansa zarar verebilir.

Bu, bazen iyi mantık transistörlerine sahip olmadığınız daha uzmanlaşmış teknolojiler üzerinde yapılır (analog / RF uygulamaları için).

Transistör direnci mantığı bir bilgi alanıdır. Dirençlere dayanan mantık kapılarının özellikleri, transistör kullananların özelliklerinden çok farklıdır. Birincisi, yüksek durumda tutulan açılan dirençler gücü sürekli olarak dağıtır. Bu, pille çalışan veya yüksek yoğunluklu tasarımlar için bir sorun olabilir. Aynısı, diğer tarafa da (düşük tutulan makaralar için) uygulanır.

Büyük farkın olduğu bir diğer alan ise hız ve sürüş gücüdür. CMOS'ta kullanılan itme-çekme çıkış yapısı, statik olduğunda gücü tüketmeden hızla geçiş yapabilir.

Lütfen çizdiğiniz devrenin hiç çalışmayacağını unutmayın. Giriş voltajı VCC'den yüksek olmadıkça, NMOS'u üst branşa koyamazsınız. Çıktıda çok fazla yük varsa, devreniz VCC yakınında hiçbir yere gidemez. Bazı mantık geçitleri tarafından "yüksek" olarak tanınacak kadar bile yüksek olmayabilir.

Bu sadece bir nitpick değil. Görünüşe göre, doğada tersine çevrilmedikçe (NAND ve NOR olduğu gibi) raydan raya geçiş yapan bir şey inşa etmek çok zordur. Ve bu, AND kapılarının NAND'ı ve ardından NOT (invertör) kullanmasının asıl nedenidir. Dünyada hiç kimse 6'dan az transistör içeren genel amaçlı bir CMOS AND geçidi yapmanın bir yolunu bilmiyor. Aynısı OR için de geçerlidir.

TTL mantığında önemli bir neden ve çoğu mantık ailesinde, kazanım öğesinin ters çevrilmesidir. İyi sürüş özelliklerine sahip bir ters çevirme çıkışına sahip olmak için ek bir invertör gerektirir.

Bu invertör kötü bir şey.

• Güç kullanır
• Mantık fonksiyonunu yavaşlatır
• Genellikle, evrimi önemsemezsiniz ve bazen buna ihtiyaç duyarsınız.

Genellikle kesikli kapılarla hız yaptığımız için (ya da tek seçenek olduklarında bizdik), ters çevirme kapıları güne hükmetti. Tersine dönmeyen kapılar mevcuttu (7400'ü 7408 ile karşılaştırın).

Bunun ana örneği ve-veya-invert kapısıdır . Tipik TTL numaraları için, yayılma gecikmesi NAND ve NOR ile aynıdır, ancak iki seviye mantık içerir.

CMOS tasarımı kullanmanın avantajları çoktur:

1. Tarif ettiğiniz NMOS mantığında, Çıkış yüksekse (her iki giriş de yüksekse), akım akışı için doğrudan (dirençli) bir yol vardır. Bu durumda, kapı sabit durumda bile büyük miktarda güç (V ^ 2 / R) tüketecektir. Bununla birlikte, CMOS'ta akım ancak tüm 4 transistör açıkken akabilir (yani: kapı açıldığında).
2. Tipik olarak dirençlerin silikon üzerinde elde edilmesi ve çok miktarda talaş alanı kaplaması çok zordur. Ayrıca kesin direnç değerleri pratikte elde edilemez.
3. NMOS mantığında, çıkış voltajı maksimum değerine (+ 5V) ulaşamaz, çünkü bazı minimum değerlere ulaşıldıktan sonra, transistörler kapanmaya başlar (bu nedenle şarj kolunu kapatır). Bu doğrudan azaltılmış gürültü marjları anlamına gelir.
4. CMOS mantığı çok az sayıda transistöre sahip herhangi bir devreyi yapmak, düşük güç tüketmek ve yüksek hızlarda çalışmak için kolayca kullanılabilir. Bu nedenle, devrenin bir kısmını NMOS (dirençli yük ile) yapmak çok hantal ve verimsizdir.

Bu yüzden bir AND geçidi tasarlamak için bir NAND geçidi ve ardından bir invertör kullanılır.

Bir NAND'den bir AND oluşturmak, bir mantık için minimum geçit boyutları kullanmanıza ve invertördeki iki (ve sadece iki) transistörün çizgiyi sürmesi için boyutlandırmasına izin verir. Bu, ek transistörler için yalnızca biraz daha fazla alanın (amaçlanan uygulamada çizgiyi sürmek için gereken direnç boyutundan sorumludur) pahasına azami hız ve hızı en aza indirir.

Ayrıca, üniversitede öğrendiğim bir bilgeliği paylaşmak için (uzun zaman önce çok uzak bir galaksideki ...): Bir zamanlar kapı dizisi mantığı hakkında bir sunum yaptık. Sonunda bir öğrenci, bir mühendisin neden tüm bu NAND geçitleri ilk sıradayken çipte kullanılırken kullanılan NAND geçitlerinin sayısını en aza indirgemekle uğraşmadığını sordu? Sunucunun cevabı 30 yıl boyunca benimle birlikte kaldı: çünkü biz yapmazsak rakiplerimiz olacaktır.

Rakibiniz maliyette kayda değer bir fark olmadan daha hızlı ve daha güç verimli bir devre yapabilirse, direnci kullanmak sadece bir mühendislik hatası değil, ticari bir hatadır.

Yükseltici olmayan bir kapıdan geçen bir mantık sinyali, başladığından daha zayıf olacaktır. Bir çip içerisine ters olmayan bir AND geçidi içerebilse de, zayıf çıktının beslediği kapılar, bir NAND, invertörden bir sinyal iletmek için gereken zamanın kuvvetli bir çıktı tarafından beslenen kapılardan beslenen kapılardan çok daha yavaş değişecektir. ve bir başka kapı, NAND ve invertörün zayıf çıkışlı AND ile değiştirildiğinden daha az olacaktır.

Hem NMOS hem de PMOS transistörlerine sahip olsa ve zayıf çıkışlı VE geçit oluşturmak istese bile, geçit CMOS NOR geçidine benzer bir şekilde yapılmalı, ancak NMOS ve PMOS transistörlerinin tersine çevrilmesi gerekir. statik güç tüketimi. Dirençler çok pahalıdır, bu yüzden kesinlikle gerekmedikçe bunlardan kaçınılmalıdır.

Bununla birlikte, diğer cevaplarda belirtilmeyen bir husus, bir ters çevirme kapısının bir dizi ve paralel çıktı karışımı içerebilmesidir. Örneğin, biri sadece bir inversiyon seviyesi kullanarak "(((X ve Y) veya (X ve Z)) veya (Y ve Z))") hesaplayan pratik bir karmaşık kapıya sahip olabilir. Her ne kadar çıktısını bir devredeki birden fazla yere besleyen bir "AND" olması pratik olmasa da, bir "NOR" geçidinin bir veya daha fazla girişinde bir "AND" geçidi veya bir veya daha fazla bir "OR" geçidini içerebilir "NAND" geçidinin daha fazla girişi.