البوابات المنطقية

يطرح الجزء ز) في "وقفة للتفكير" سؤالاً مهمًا. ربما أجبت الإجابة الصحيحة بأنه لا يمكن استخدام المعادلة نفسها لأنها شكلان مختلفان. ستحتاج إلى البحث عن كيفية استخدام حساب التفاضل والتكامل لحساب المتوسط وقيم جذر متوسط المربعات ⁦(RMS)⁩ في شكل موجي (انظر رابط الوحدة 7).

رسمان بيانيان: تعديل السعة، تعديل التردد.

الخاصية الثالثة للأشكال الموجية الدورية التي يمكن استخدامها لتمثيل البيانات هي فرق الطور بين شكلين موجيين متماثلين لهما التردد نفسه. فرق الطور هو مقدار تقدم موجة على موجة أخرى أو تأخرها عنها بالراديان (أو الدرجات). يوضح الشكل 23.5 أن فرق الطور، $\phi$، بين نقطتين متتاليتين متفقتين في الطور هو نفسه بغض النظر عن موضع قياسه. وأن النقاط المتفقة في الطور يكون لها السعة نفسها و"تتحرك" في الاتجاه نفسه.

منحنيان: الموجة 1 (زرقاء)، الموجة 2 (حمراء)

يبلغ فرق الطور بين الموجتين في الرسم البياني 120 درجة. يمكنك تحويل فرق الطور إلى الراديان باستخدام المعادلة الآتية: $\phi_{radian} = \phi_{degree} \times \frac{\pi}{180}$

$\phi_{radian} = 120 \times \frac{\pi}{180} = \frac{\pi}{3}$ ⁦radian⁩ يمكنك تحويل هذا الناتج إلى قيمة عشرية، ولكن من الشائع تركه بصيغة باي لأن $\pi$ رقم غير نسبي. إذا اعتبرنا أن الموجة 1 (الزرقاء) هي الموجة المرجعية، فإن الموجة 1 تسبق الموجة 2 (الحمراء) لأن الموجة 1 تحدث قبل الموجة 2. (تذكر أن المحور السيني ⁦x⁩ يمثل الزاوية (أو الزمن) بعد الصفر). إذا نظرت إلى الأشكال الموجية على شاشة راسم الذبذبات، فستجد خط الأثر يتحرك من اليسار إلى اليمين. ولذلك تظهر النقاط على اليسار في وقت أبكر من النقاط على اليمين. إذا اعتبرنا أن الموجة 2 (الحمراء) هي الموجة المرجعية، فإن الموجة 1 تتأخر عن الموجة 2.

فرق الطور - الزاوية (أو الزمن) التي تسبق أو تتأخر بها موجة دورية عن موجة أخرى لها التردد نفسه.

عند إرسال إشارة، تكون محملة بمعلومات مفيدة. وفي أثناء الإرسال، يمكن أن تتعرض الإشارة للتشويه بعدة طرق. والسبب الأكثر شيوعًا لذلك هو الضوضاء الكهربائية. الضوضاء هي التغير العشوائي غير المرغوب فيه الذي يتداخل مع الإشارة. وقد تزيد الضوضاء من صعوبة استعادة المعلومات من الإشارة. يمكن أن تحدث الضوضاء بسبب مصادر خارجية، مثل:

• الآلات الصناعية
• الظروف الجوية
• النشاط الشمسي.

  قد تتولد الضوضاء أيضًا داخل النظام. وتصدر الضوضاء الداخلية عن المكونات الموجودة في الدوائر. تشمل أنواع الضوضاء ما يأتي:

• الضوضاء الطلقية، وهي ضوضاء تنجم عن الحركة العشوائية للإلكترونات (والثقوب)
• ضوضاء جونسون، وهي ضوضاء تنجم عن التحريض الحراري للذرات في المكونات
• ومن أنواع الضوضاء الأخرى تأثير المقاومة والارتعاش.

  يوضح الشكل 23.6 تأثير الضوضاء في إشارة تناظرية.

المحور الرأسي: المقدار من -15 إلى 25 المنحنى يمثل إشارة تناظرية مشوشة

يمكن أن يتكون النظام الإلكتروني من عدة أنظمة فرعية (انظر ما سيرد لاحقًا في هذا الفصل). لا بد أن يتطابق خرج الإشارة في إحدى المراحل مع متطلبات الدخل للمرحلة التالية في النظام. ويُطلق على عملية تجهيز الإشارة اسم تكييف الإشارة. يجري تكييف الإشارة بعدة طرق. عادةً ما تحتاج الإشارة التناظرية ذات الجهد المنخفض جدًا إلى التضخيم. يمكن التعبير عن كسب الجهد بنسبة بسيطة $A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}}$

الضوضاء الكهربائية - اضطراب غير مرغوب فيه في إشارة كهربائية. تكييف الإشارة - تعديل الإشارة بحيث تلبي متطلبات المرحلة التالية من المعالجة في النظام.

قاس أحد الطلاب كسب الجهد في دائرة مضخم عند تردد يقع ضمن نطاق عملها، وذلك باستخدام معدات اختبار قياسية في المختبر. وتحديدًا، قاس سعة إشارة الخرج فوجدها 1.2 فولت عندما تكون سعة إشارة الجهد دخل 25 مللي فولت. احسب كسب الجهد للمضخم كنسبة وكقيمة بالديسيبل.

$A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}}$ $A_v = \frac{1.2}{25 \times 10^{-3}}$ $A_v = 48$

$A_v = 20 \log \left( \frac{V_{out}}{V_{in}} \right)$ $A_v = 20 \log (48)$ $A_v = 33.62$ dB

قاس الطالب كسب الجهد للمضخم عند تردد واحد. ابحث عما قد يحدث إذا قاس الطالب كسب الجهد عبر نطاق واسع من الترددات، على سبيل المثال من 1 هرتز إلى 1 ميجاهرتز. هل سيكون كسب الجهد بنفس القيمة عند جميع الترددات؟ ما المقصود بعرض النطاق الترددي؟

يجب ترشيح الإشارة المتأثرة بالضوضاء لإزالة الضوضاء أو تقليلها.

• يسمح مرشح تمرير الترددات المنخفضة ⁦(LP)⁩ بمرور الإشارات منخفضة التردد ويحجب الإشارات عالية التردد.
• يسمح مرشح تمرير الترددات العالية ⁦(HP)⁩ بمرور الإشارات عالية التردد ويحظر الإشارات منخفضة التردد.
• يسمح مرشح تمرير النطاق ⁦(BP)⁩ بمرور نطاق من الترددات بين نقطة قطع التردد المنخفض ونقطة قطع التردد العالي. ويحجب الترددات خارج النطاق.

  يُطلق على المرشح الذي يتكون من عناصر غير فعالة فقط (المقاوم والمكثف والمحث) اسم المرشح غير الفعال. يعمل المرشح غير الفعال على إضعاف الإشارة (يجعلها أصغر). في المقابل، يحتوي المرشح النشط على عناصر نشطة (مثل الترانزستور والمضخم التشغيلي) لتضخيم الإشارة. نسبة الإشارة إلى الضوضاء ⁦(SNR)⁩ هي مقياس مفيد لجودة النظام. وعادةً ما يُعبر عنها بوحدة الديسيبل ⁦(dB)⁩.

$SNR = 20 \log \left( \frac{\text{signal level}}{\text{noise level}} \right)$ لاحظ أنه يمكن قياس مستويات الإشارة والضوضاء بأي وحدات مناسبة شريطة أن تكون الوحدات نفسها لكليهما. يمكن أن تكون هذه الوحدات، على سبيل المثال، جهد جذر متوسط المربعات ⁦(RMS)⁩ وجهد الذروة ومستويات الديسيبل وما إلى ذلك.

قاس فني جذر متوسط مربع جهود شكل موجي معين. فوجد أن جذر متوسط مربع جهد الإشارة يبلغ 1.5 فولت، وأن جذر متوسط مربع جهد الضوضاء يبلغ 50 مللي فولت. احسب نسبة الإشارة إلى الضوضاء ⁦(SNR)⁩. $SNR = 20 \log \left( \frac{\text{signal level}}{\text{noise level}} \right)$ $SNR = 20 \log \left( \frac{1.5}{50 \times 10^{-3}} \right)$ $SNR = 20 \log (30)$ $SNR = 29.54$ dB

قد يلزم تغيير مستوى جهد الإشارة من أجل التفاعل الصحيح مع المرحلة التالية. على سبيل المثال، يمكن استخدام مكثف بين مراحل المضخم لمنع تأثير شروط تحيز الترانزستور في المرحلة الآتية في ظروف التحيز في المرحلة التالية. عند دراسة التموّج لمزوّد طاقة تيار مستمر، ستجد أن التموج صغير مقارنة بمستوى التيار المستمر. إذا أردت دراسة جهد التموّج عن كثب على راسم ذبذبات، فعليك إزاحة خط الأثر عن طريق إزالة جهد التيار المستمر من الإشارة. يوضح الشكل 23.7 مثالاً عن كيفية تكييف إشارة من ميكروفون لتغذية مكبر طاقة في نظام صوت.

مخطط كتل: خرج مكثف -> إزاحة المستوى -> مرشح -> مضخم -> دخل متأثر بالضوضاء رسوم بيانية توضيحية للإشارات في كل مرحلة.

تختلف الإشارة الرقمية عن الإشارة التناظرية في أنها تُمثل بقيم منفصلة فقط. وتعني "القيمة المنفصلة" أن الإشارة يمكن أن تأخذ قيمًا معينة فقط. على سبيل المثال، عند حساب عدد السيارات التي تمر بنقطة معينة في مدة محددة، تكون الإجابة عددًا صحيحًا من السيارات. الدرجة التي تحصل عليها في واجب ⁦BTEC⁩ هي إما النجاح وإما التفوق وإما الامتياز. على النقيض من ذلك، يمكن أن تتخذ البيانات المتصلة أي قيمة، مثل الارتفاع. شكل الموجة النبضية هو مثال عن الإشارة الرقمية الثنائية. وهو شكل موجي دوري يتنقل بين مستويين. يمكن تصور المستويين على أنهما "مرتفع" (المستوى المنطقي 1) أو "منخفض" (المستوى المنطقي 0). يوضح الشكل 23.8 شكل الموجة النبضية.

الإشارة الرقمية - إشارة تمثل البيانات كسلسلة من القيم المنفصلة.

رسم بياني لموجة نبضية: مرتفع (المنطق 1)، منخفض (المنطق 0) $T_{ON}$ (زمن التشغيل)، $T_{OFF}$ (زمن الإيقاف) $T = T_{ON} + T_{OFF}$

$T = T_{ON} + T_{OFF}$ يمكن حساب التردد بالطريقة نفسها التي تُستخدم لحساب تردد الموجة الجيبية: $f = \frac{1}{T}$ دورة التشغيل، ⁦D⁩، هي النسبة بين زمن التشغيل (الوقت عند المستوى المرتفع) والزمن الدوري، ⁦T⁩. $D = \frac{T_{ON}}{T} = \frac{T_{ON}}{T_{ON} + T_{OFF}}$ يتخذ شكل الموجة النبضية الذي تبلغ فيه نسبة دورة التشغيل 50 في المئة شكلاً موجيًا مربعًا. يمكن حساب متوسط الجهد في موجة نبضية لها جهد أقصى ⁦maxv⁩ وجهد معدوم 0 ودورة تشغيل ⁦D⁩ بالصيغة الآتية: $V_{ave} = D \times V_{max}$

احسب متوسط الجهد لشكل موجي نبضي إذا كانت مستويات الجهد 0 فولت و5 فولت ودورة التشغيل 0.75 $V_{ave} = D \times V_{max}$ $V_{ave} = 0.75 \times 5$ $V_{ave} = 3.75$ ⁦V⁩ احسب دورة التشغيل اللازمة لنفس الشكل الموجي ليكون متوسط الجهد 2.0 فولت $V_{ave} = D \times V_{max}$ أعد ترتيب المعادلة لجعل ⁦D⁩ المتغير الرئيس: $D = \frac{V_{ave}}{V_{max}}$ $D = \frac{2.0}{5.0} = 0.4$ يمكنك أيضًا التعبير عن دورة العمل بالنسبة المئوية فتكون حينئذ ⁦40% = D⁩ لتمييز الفرق بين القيم المتصلة والقيم المنفصلة، تذكر أن القيم المتصلة تُستخدم في القياس، أما القيم المنفصلة فتُستخدم في العد. الشكل 23.9 يوضح كيفية تمثيل إشارة تناظرية كإشارة رقمية.

رسم بياني يوضح إشارة تناظرية (منحنى) وإشارة رقمية (درجات) على محاور: مستويات العينات، أوقات العينات.

تستخدم القيم الثنائية نظام العد الثنائي لتمثيل القيم. ويمكن أن يكون لكل بت القيمة منطقية 0 أو 1.

يوضح الجدول 23.1 أن تمثيل 4 مستويات من العينات يتطلب ثلاث بتات.

• أ. ما أعلى قيمة عشرية يمكن تمثيلها باستخدام 3 بتات؟
• ب. ما عدد البتات اللازمة لتمثيل القيم العشرية من 0 إلى 15؟
• ج. ما نطاق الأعداد العشرية الذي يمكن تمثيله باستخدام 8 بتات؟

  تلميح: تابع تسلسل العد باستخدام ثلاثة أرقام ثنائية (بتات). كم عدد المستويات الموجودة؟ وما القيمة العشرية لأعلى مستوى؟ ابحث عن نظام العد الثماني ⁦(base 8)⁩. ابحث عن نظام العد الست عشري ⁦(base 16)⁩. لاحظ كيفية استخدام الحروف لتمثيل الأرقام من 10 إلى 15. توسيع الأفق: ماذا يُطلق عادةً على مجموعة مكونة من 8 بتات؟ ما القيم العشرية التي يمكن تمثيلها باستخدام 8 بتات؟

يمكن لكل رقم ثنائي (بت) أن يأخذ إحدى القيمتين في وقت واحد،

• تشغيل أو مرتفع أو المنطق 1
• إيقاف أو منخفض أو المنطق 0

الأرقام الثنائية (البنات) - وحدة بيانات واحدة. يمكن أن يأخذ البت القيمة المنطقية 0 أو 1 فقط.

رسمان بيانيان: النبضة الرقمية، النبضة الرقمية مع الضوضاء.

تتأثر الإشارات الرقمية أيضًا بالضوضاء التي يمكن أن تؤثر في صحة قراءة النظام المنطقي. تعتمد الفولتية الفعلية التي تمثل المنطق 1 أو المنطق 0 في نظام المنطق الرقمي على نوع تقنية المنطق المستخدمة. وعائلتا المنطق الأكثر استخدامًا هما:

• ⁦TTL⁩، منطق ترانزستور-ترانزستور: وفيها تُنشأ دوائر المنطق لتكون دوائر متكاملة ⁦(IC)⁩ باستخدام الترانزستورات ثنائية القطب (من النوع ⁦n⁩ والنوع ⁦p)⁩ كعناصر تبديل أساسية.
• ⁦CMOS⁩، أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة: وفيها تُنشأ دوائر المنطق لتكون دوائر متكاملة ⁦(IC)⁩ باستخدام ترانزستورات التأثير الحقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩ كعناصر تبديل أساسية.

منطق ترانزستور-ترانزستور ⁦(TTL) -⁩ عائلة من البوابات المنطقية تعتمد على ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب ⁦(BJT)⁩. منطق ⁦CMOS -⁩ عائلة من البوابات المنطقية تعتمد على ترانزستورات التأثير الحقلي لأشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩. البوابات المنطقية - الدوائر الرقمية التي تسمح بمرور البيانات. تستخدم البوابات المنطقية البولية لتحديد ما إذا كانت الإشارة سيجري تمريرها أم لا.

توجد العديد من حزم رسومات الدوائر والمحاكاة المتاحة على الإنترنت. وتشمل الآتي: ⁦Circuit Simulator Applet (⁩تطبيق مصغر لمحاكاة الدوائر الإلكترونية) ⁦https⁩://⁦www.falstad.com/circuit/ Tinkercad -⁩ إنشاء تصميمات رقمية ثلاثية الأبعاد باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب عبر الإنترنت (⁦https⁩://⁦www.tinkercad.com) Circuit Design⁩ هو تطبيق لتصميم الدوائر على شبكة الإنترنت. يمكنك حفظ التصميمات. (⁦https⁩://⁦www.circuit-diagram.org/editor) Circuit Lab⁩ هو تطبيق لتصميم الدوائر عبر الإنترنت. تحتاج إلى رخصة لحفظ التصميمات. ويوجد حد لعدد المكونات التي يمكنك استخدامها يوميًا. (⁦https⁩://⁦www.circuitlab.com/editor⁩)

صُممت بوابات ⁦TTL⁩ المنطقية لأول مرة في ستينيات القرن الماضي وما تزال تُستخدم في نطاق واسع في الصناعة. وبفضلها تزايد عدد الوظائف، وتقدمت التكنولوجيا، وتحسنت الحزم المتاحة بمرور الوقت. تعتمد عائلة ⁦TTL⁩ على الدوائر المتكاملة ⁦(ICs)⁩ من سلسلة ⁦74xx⁩. على سبيل المثال، 7400 عبارة عن دائرة متكاملة ⁦(IC)⁩ بها 14 دبوسًا وتحتوي على 4 بوابات ⁦NAND⁩ ثنائية الإدخالات، بينما الدائرة المتكاملة 7406 بها 14 دبوسًا وتحتوي على عاكس سداسي (6 بوابات عاكسة). تعد سلسلة ⁦54xx⁩ إصدارًا مكافئًا بمواصفات أعلى. هناك العديد من عائلات ⁦TTL⁩ المنطقية المتاحة، تتطابق فيها دوال المنطق لكل رقم، لكن تختلف البنية الداخلية في ما بينها قليلاً، وهو ما يؤثر في سرعة التبديل واستهلاك الطاقة. على سبيل المثال:

• عائلة منطق ⁦TTL⁩ القياسية، سلسلة ⁦74xx⁩
• العائلة منخفضة الطاقة، سلسلة ⁦74Lxx⁩
• العائلة عالية السرعة، سلسلة ⁦74Hxx⁩
• عائلة شوتكي، سلسلة ⁦74Sxx⁩
• عائلة شوتكي منخفضة الطاقة، سلسلة ⁦74LSxx⁩. سلسلة ⁦74LSxx⁩ هي الإصدار الأكثر استخدامًا في تصميم أنظمة الدوائر الرقمية الجديدة.

  يستخدم منطق ⁦TTL⁩ مصدر تيار مستمر بجهد 5 فولت ± 0.5 فولت. في النظام المثالي، يُمثل المنطق 1 بـ 5 فولت والمنطق 0 بـ 0 فولت. ومع ذلك، كما درست، يمكن أن تتأثر الإشارات الرقمية بالضوضاء. من الناحية العملية، يحتوي نظام المنطق ⁦TTL⁩ بجهد 5 فولت على نطاقات سماح تسمح بوجود تغيرات في مستوى الإشارة في أثناء الإرسال. المستويات المقبولة تختلف بين الخرج من البوابة المنطقية والدخل إليها. يسمح هذا بحدوث بعض الوهن في الإشارة وتأثرها بالضوضاء عند إرسالها من خرج بوابة منطقية إلى دخل بوابة أخرى.

بوابة ⁦TTL⁩ القياسية هي بوابة ⁦NAND (⁩و ⁦AND NOT⁩)، وهي بوابة عامة. يمكن تشكيل جميع البوابات الأساسية الأخرى باستخدام مجموعات بوابات ⁦NAND⁩ فقط. طُورت بنية ⁦TTL⁩ من منطق الصمام الثنائي ⁦(Diode)⁩ إلى منطق الصمام الثنائي-ترانزستور ⁦(DTL)⁩. ومن السمات الفريدة لبنية ⁦TTL⁩ هي مرحلة الإدخال التي تحتوي على ترانزستور ببواعث متعددة. يوضح الشكل 23.11 البنية الأساسية لبوابة ⁦NAND⁩ ثنائية المدخل باستخدام ⁦TTL⁩. تستخدم بوابة ⁦NAND⁩ في الدائرة المتكاملة ⁦(IC)⁩ من نوع التكامل متوسط النطاق ⁦(MSI)⁩ ترانزستور كحمل نشط بدلاً من استخدام مقاوم، وذلك على النحو الموضح أدناه. يمكن دراسة بوابة ⁦NAND⁩ في ثلاث مراحل منفصلة.

رسمان لدائرة بوابة ⁦NAND⁩: (يسار) البنية الأصلية، (يمين) مع خرج عمود الطوطم.

يشير ⁦T1⁩ إلى مرحلة الإدخال. تعمل وصلتا الباعث-القاعدة كدخلين للصمام الثنائي (دايود). عند توصيل أحد الدخلين (أو كليهما) بجهد 0 فولت (المنطق 0)، ينشط الترانزستور ⁦T1⁩ ويتدفق تيار المجمع. ويكون جهد المجمع منخفضًا. عند توصيل كلا الدخلين بجهد 5 فولت (المنطق 1)، يتوقف الترانزستور ⁦T1⁩، ويكون جهد المجمع مرتفعًا (المنطق 1). إذا تُرك الدخلان "عائمين"، فلن يتمكن ⁦T1⁩ من التوصيل، ويكون جهد المجمع مرتفعًا. ويكون خرج المنطق الافتراضي مرتفعًا (المنطق 1).

يعمل ⁦T2⁩ مقسمًا للمرحلة. يزداد جهد الباعث مع انخفاض جهد المجمع. ويكون جهد الباعث والمجمع في طورين متعاكسين بمقدار 180 درجة.

مرحلة الإخراج عبارة عن عاكس ترانزستور بسيط. عندما يكون أي من الدخلين منخفضًا (0 فولت)، يتوقف ⁦T2⁩ و⁦T3⁩. ويكون التيار الداخل إلى مجمع ⁦T1⁩ هو التيار الذي يمر من القاعدة إلى باعث ⁦T2⁩. وهو تيار صغير جدًا. أما الجهد عند قاعدة ⁦T2⁩ فيبلغ 0.4 فولت (تقريبًا). لذلك يدخل ⁦T2⁩ وضع الإيقاف. ومن ثم، يدخل ⁦T3⁩ وضع الإيقاف. عندما تكون جميع الإدخالات مرتفعة، تكون بواعث ⁦T1⁩ متحيزة عكسيًا. أما المجمع فهو متحيز أمامي. يدخل الترانزستوران ⁦T2⁩ و⁦T3⁩ إلى وضع التشبع، وينخفض جهد الخرج إلى 0.2 فولت تقريبًا. يتحكم ⁦R4⁩ في تيار المجمع في الترانزستور ⁦T3⁩. للتبديل السريع، يجب أن يكون ⁦R4⁩ صغيرًا، لكن هذا يتعارض مع الحاجة إلى الحد من تيار المجمع!

يمكن التغلب على مشكلة قيمة ⁦R4⁩ عن طريق استخدام ترانزستور "كحمل نشط". يحل ⁦T4⁩ محل مقاوم الحمل ⁦R4. (⁩يبقى مقاوم صغير للحد من التيار). لا تؤدي إضافة مكونات إضافية إلى الدائرة إلى إحداث فرق كبير في تعقيدات الدائرة المتكاملة ⁦(IC)⁩ من نوع التكامل متوسط النطاق ⁦(MSI)⁩. يزيد استخدام الحمل النشط من سرعة تبديل البوابة. يخضع زمن التبديل لحاصل الضرب (⁦R4 ×⁩ السعة الشاردة). يمكن تقليل قيمة ⁦R4⁩ للحد من ثابت الزمن، وذلك لتسريع عملية التبديل، لكن هذا قد يتسبب في زيادة تيار المجمع وزيادة تبديد الطاقة في ⁦T3⁩. تكون الترانزستورات ⁦T3⁩ و⁦T4⁩ دائمًا في حالة معاكسة لبعضها بعضًا. عندما يدخل ⁦T3⁩ وضع التشغيل، يدخل ⁦T4⁩ وضع الإيقاف، والعكس صحيح. عندما يدخل ⁦T3⁩ وضع الإيقاف، يدخل ⁦T4⁩ وضع التشغيل. لا توجد سوى مقاومة صغيرة للحمل، ما يتيح سرعة التبديل. عندما يدخل ⁦T3⁩ وضع التشغيل، تزداد مقاومة الحمل، ما يحد من تبديد الطاقة. (ملاحظة: يتكون المكثف من موصلات متفاوتة في الجهد ولكنها متقاربة. يشير وجود بنية الوصلات ⁦p-n⁩ في الترانزستور إلى أن الوصلات بين القاعدة والباعث والقاعدة والمجمع لها سعة. هذه "السعة الشاردة" غير مرغوب فيها، لكن لا يمكن تجنبها).

• $V_{OH}$ - الحد الأدنى لمستوى جهد الخرج لإشارة مرتفعة (2.7 فولت).
• $V_{OL}$ - الحد الأقصى لمستوى جهد الخرج لإشارة منخفضة (0.4 فولت).

• $V_{IH}$ - الحد الأدنى لمستوى جهد الدخل لإشارة مرتفعة (2.0 فولت).
• $V_{IL}$ - الحد الأقصى لمستوى جهد الدخل لإشارة منخفضة (0.8 فولت).

يوضح الشكل 23.12 يوضح مستويات الجهد المقبولة ⁦TTL⁩ وإشارة منطق إدخال ⁦TTL⁩.

رسمان بيانيان: إشارة الدخل، إشارة الخرج.

الحد الأدنى لخرج البوابة المنطقية لإرسال المنطق 1 هو 2.7 فولت، بينما القيمة الدنيا لإدخال الإشارة إلى بوابة أخرى هي 2.0 فولت، وهذا الفرق البالغ 0.7 فولت يسمح بوهن الإشارة والضوضاء الملتقطة في أثناء الإرسال. ويُعرف هذا بهامش الضوضاء. وبالمثل، هناك فرق بين حدود الإخراج والإدخال للمنطق 0. ماذا يحدث إذا كان لديك جهد خرج يتراوح بين 0.8 فولت و2.0 فولت؟ هذا النطاق من الفولتية غير مسموح به لأنه غير محدد. ويسمى بالنطاق "العائم". وإذا كان أحد دبابيس الخرج في بوابة منطقية "عائمًا" ضمن هذا النطاق، فلا يمكن التنبؤ بالنتيجة.

اكتشف كيف طُورت تقنية ⁦TTL⁩ الأساسية لإنشاء "عائلات" مختلفة، مثل عائلة شوتكي ⁦(S)⁩ وعائلة شوتكي المتطورة ⁦(AS)⁩ وعائلة شوتكي منخفضة الطاقة ⁦(LS)⁩ وعائلة شوتكي المتطورة منخفضة الطاقة ⁦(ALS)⁩. اكتشف كيف يمكن مقارنة العائلات المختلفة من حيث السرعة والقدرة.

تُعد أجهزة أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة حساسة للتفريغ الكهروستاتيكي. ولا بد من توخي الحذر الشديد عند التعامل مع الأجهزة الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي.

• احتفظ بالمكونات الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي ⁦(ESDS)⁩ في حاوياتها المضادة للكهرباء الساكنة لحين نقلها إلى محطات عمل محمية ضد الكهرباء الساكنة.
• لا تلمس أسنان وأسلاك المكونات الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي (أو الدوائر التي تحتوي على أجهزة حساسة للتفريغ الكهروستاتيكي).
• ارتدِ أحزمة المعصم والملابس المناسبة والقفازات اتباعًا لإجراءات التعامل السليم.
• يربط حزام المعصم الشخص بالأرض من خلال مقاومة قيمتها 1 ميجا أوم. كما تمنع أحزمة المعصم تراكم الشحنات الساكنة عن طريق تبديدها من الشخص إلى الأرض.
• يمكن للملابس المصنوعة من مواد مبددة أن تقلل تأثير التفريغ الكهروستاتيكي ⁦(ESD)⁩، كما يجب ارتداء المعاطف المخبرية (أو ما يماثلها) وهي مغلقة دائمًا.
• لا تلمس الدوائر والمكونات الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي ⁦(ESDS)⁩ إلا بعد ارتداء القفازات.
• احرص على استخدام الأداة المناسبة لسحب المكونات الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي وإخراجها من الدائرة؛ وذلك لتجنب لمس الأسنان وأسلاك التوصيل.

الأجهزة الحساسة للتفريغ الكهروستاتيكي - هي الأجهزة التي يمكن أن تتلف بسبب التفريغ الكهروستاتيكي.

عائلة الدوائر المتكاملة ⁦(ICs)⁩ الأساسية من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩ هي سلسلة 4000. على سبيل المثال، 4011 عبارة عن بوابة ⁦NAND⁩ رباعية ثنائية الدخل، و4009 عبارة عن عاكس سداسي.

يُستخدم في بوابات أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩ المنطقية ترانزستورات التأثير الحقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(MOSFETs)⁩. وتشبه بنية البوابة هذه بوابات ⁦TTL⁩، لكن مع ترانزستور تبديل وترانزستور حمل. عادة ما يكون ترانزستور التبديل عبارة عن ترانزستور تأثير حقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(MOSFET)⁩ بقناة ⁦n⁩. وغالبية الناقلات في ترانزستورات التأثير الحقلي ⁦(FET)⁩ بقناة ⁦n⁩ هي الإلكترونات. ونظرًا إلى أن الإلكترونات متحركة، يمكن لأجهزة القناة ⁦n⁩ التبديل بسرعة. في المقابل، عادةً ما يكون ترانزستور الحمل عبارة عن ترانزستور تأثير حقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(MOSFET)⁩ بقناة ⁦p⁩. وغالبية الناقلات في القناة ⁦p⁩ هي الثقوب. ونظرًا إلى أن الثقوب ليست متحركة مثل الإلكترونات، لا يمكنها التبديل بالسرعة نفسها. تشكل ترانزستورات التأثير الحقلي ⁦(FET)⁩ زوجًا مكملاً، وهذا هو سبب تسمية التقنية باسم أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩. يوضح الشكل 23.13 البنية الداخلية لعاكس ⁦CMOS (⁩بوابة ⁦NOT⁩). يُوصل الدخل ⁦A⁩ ببوابة عنصر التبديل وبوابة الحمل. عندما يكون الدخل ⁦A⁩ منخفضًا، يدخل الحمل القناة ⁦p⁩ وضع التشغيل ويدخل مفتاح القناة ⁦n⁩ وضع الإيقاف. ويكون الخرج ⁦Q⁩ مرتفعًا. في المقابل، عندما يكون الدخل ⁦A⁩ مرتفعًا، يدخل حمل القناة ⁦p⁩ وضع الإيقاف ويدخل مفتاح القناة ⁦n⁩ وضع التشغيل. ويكون الخرج ⁦Q⁩ منخفضًا. هذا يعني أنه عندما يكون أحد ترانزستورات التأثير الحقلي في وضع التشغيل، يدخل ترانزستور التأثير الحقلي الآخر وضع الإيقاف. يرد تلخيص لهذا الإجراء في الجدول 23.2.

الجدول 23.2 جدول الحقيقة لبوابة ⁦NOT⁩ المتكونة من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩

يوضح الشكل 23.14 كيف تستخدم بوابة ⁦NAND⁩ ثنائية الدخل من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩ قسمين مشابهين لبوابة ⁦NOT. FET1⁩ و⁦FET3⁩ يشكلان زوج المفتاح والحمل الأول، بينما يشكل ⁦FET2⁩ و⁦FET4⁩ زوج المفتاح والحمل الثاني.

رسمان لدائرة: بوابة ⁦NAND⁩، بوابة ⁦AND⁩.

لاحظ كيفية اتصال عناصر التبديل على التوالي واتصال الأحمال على التوازي. عند دخول ⁦FET3⁩ أو ⁦FET4⁩ وضع التشغيل، يكون هناك مسار موصل من جهد الإمداد ⁦Vdd⁩. ويكون الخرج ⁦Q⁩ مرتفعًا. أما عند دخول ⁦FET3⁩ و⁦FET4⁩ وضع الإيقاف، لا يكون هناك مسار موصل من جهد الإمداد ⁦Vdd⁩. ويكون الخرج ⁦Q⁩ منخفضًا. يرد تلخيص لهذا الإجراء في الجدول 23.3.

الجدول 23.3 جدول الحقيقة لبوابة ⁦NAND⁩ من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩

التعبير البولياتي لهذه البوابة هو $Q = \overline{A \cdot B}$ يوضح الشكل 23.13 أيضًا كيف يمكن تحويل بوابة ⁦NAND⁩ إلى بوابة ⁦AND⁩ من خلال تضمين ترانزستور تأثير حقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(MOSFET)⁩ بقناة ⁦n⁩ كعاكس (بوابة ⁦NOT⁩). ملحوظة: ⁦NOT NAND = AND =⁩ $A \cdot B = \overline{\overline{A \cdot B}}$

التعبير البولياتي - عبارة منطقية نتيجتها إما صحيحة (منطق 1) وإما خاطئة (منطق 0).

توضح الدوائر كيف يمكن لمهندسي الإلكترونيات تصميم بوابات أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩ المنطقية بسهولة بمجرد حصولهم على التصميمات الخاصة لترانزستورات التأثير الحقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(MOSFETs)⁩ بالقناتين ⁦n⁩ و⁦p⁩. فالأمر لا يتطلب سوى سحب ترانزستور التأثير الحقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(MOSFET)⁩ الصحيح ووضعه في المكان المناسب. يتيح مستوى التكامل متوسطة النطاق ⁦(MSI)⁩ إمكانية تضمين العديد من البوابات في دائرة متكاملة ⁦(IC)⁩ واحدة. يمكن لبوابات أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩ المنطقية أن تعمل ضمن نطاق جهد إمداد بين 3 فولت و15 فولت، ويوضح الشكل 23.15 مستويات المنطق المقبولة لبوابات ⁦CMOS⁩ عند جهد إمداد 5 فولت مقارنةً ببوابات ⁦TTL⁩.

قد تلاحظ أن بعض دوائر أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة المنطقية التي تستخدمها تحمل علامة ⁦4000B⁩. يشير الحرف ⁦B⁩ إلى أن الدائرة مزودة ببوابة عزل ⁦(Buffered)⁩. ويقصد بهذا أن الخرج يحتوي على عاكسات ترانزستور الأثر الحقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(MOSFET). 4011⁩ و⁦4011B⁩ هما دائرتان متكاملتان تحتويان على 4 بوابات ⁦NAND⁩ ثنائية الدخل. كلتاهما تحتوي على 4 بوابات ⁦NAND⁩ ثنائية الدخل في عبوة ⁦DIP⁩ ذات 14 طرفًا. ويشبه هيكل كل بوابة في 4011 بوابة ⁦NAND⁩ الموضحة في الشكل 23.11. تحتوي كل بوابة ⁦NAND⁩ ثنائية الدخل في ⁦4011B⁩ على مرحلتي عاكس ⁦n⁩ من النوع ⁦n⁩ عند الخرج. وهذا يعطي ⁦NOT NOT NAND⁩. قد تقول إن ⁦NOT NOT⁩ تلغي نفسها وأنت محق في ذلك، لأن ⁦NOT NOT NAND⁩ هي مجرد ⁦NAND⁩. لماذا أضيف ترانزستوران آخران من نوع الأثر الحقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(MOSFET)⁩؟ والجواب هو أن هذه الإضافة تجعل البوابة أكثر حساسية. بوابات أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة بطبيعتها أبطأ في التبديل من بوابات ⁦TTL⁩. لبنية ترانزستور الأثر الحقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة سعة كهربائية كبيرة، وهذا يزيد الثابت الزمني للتبديل. وبالتالي تؤدي إضافة بوابات عزل أخرى إلى تسريع التبديل. تصميم ترانزستور الأثر الحقلي من أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة بقناة ⁦n⁩ متوافر بكثرة ويسهل دمجه في الدائرة المتكاملة دون الحاجة إلى خطوات معقدة. ويُبرر الأداء المُحسّن إضافة المكونات.

قد تعتقد أنك إذا استخدمت مزود طاقة شائع بجهد 5 فولت، فيمكنك مزج بوابات ⁦TTL⁩ و⁦CMOS⁩ في النظام. لكن الواقع ليس بهذه البساطة.

تتمثل إحدى المشكلات العملية التي قد تواجهها عند استخدام بوابات أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية المتنامة ⁦(CMOS)⁩ المنطقية في أنه لا يمكنك ضمان ضمان خرج البوابة في حال وجود دخل واحد أو أكثر "عائمًا" (غير متصل). وهذا الخرج ليس مقبولاً. الشكل 23.16 يوضح الدخل إلى بوابة ⁦NOT⁩ باستخدام مفتاح فصل انضغاطي.

رسمان لدائرة: ⁦(a)⁩ بوابة ⁦NOT⁩ مع مفتاح، ⁦(b)⁩ بوابة ⁦NOT⁩ مع مفتاح ومقاوم رفع.

عادةً ما يتصل الدخل ⁦A⁩، في الدائرة ⁦(a)⁩، بجهد منخفض (المنطق 0). ويكون الخرج ⁦Q⁩ مرتفعًا (المنطق 1). وعند الضغط على المفتاح، يُصبح الدخل ⁦A⁩ عائمًا. ولا يكون من الممكن التنبؤ بما سيحدث للخرج ⁦Q⁩. في المقابل، عادةً ما يتصل الدخل ⁦A⁩، في الدائرة ⁦(b)⁩، بجهد منخفض (المنطق 0) كما هو الحال في الدائرة ⁦(a)⁩. ويكون الخرج ⁦Q⁩ مرتفعًا (المنطق 1). وعند الضغط على المفتاح، يتسبب مقاوم الرفع في توصيل الدخل ⁦A⁩ بجهد مرتفع (المنطق 1). ويكون الخرج ⁦Q⁩ منخفضًا (المنطق 0).