TEKNOLOGI LOGIKA

RANGKAIAN

A. Parameter dan Batasan Logika

• Komponen-komponen logika yakni gerbang dasar, FF dan memori biasanya dikemas pada sebuah IC (integrated circuit) atau chip.

• Dua teknologi dasar dalam IC digital adalah bipolar dan MOSFET (metal oxide semi konduktor field effect transistor).

Jenis-jenis Transistor• Bipolar junction transistor (BJT) adalah elemen pensaklaran aktif yang digunakan dalam rangkaian TTL. – PNP– NPN

• MOSFET (MOS field-effect transistor), – n-channel MOSFET – p-channel MOSFET– Gabungan n-channel dan p-channel

(CMOS).

BJT• BJT mempunyai 2 macam junction yaitu

base-emitter junction dan base-collector junction.

• Gambar simbol BJT npn dengan 3 buah terminal yaitu : base (B), emitter (E) dan collector(C) :

Collector (C)

Emitter (E)

Base (B)

MOSFET• MOSFET digunakan pada teknologi CMOS.• Simbol MOSFET :

Drain (D)

Gate (G)

Source (S)

n-channel

Drain (D)

Gate(G)Source (S)

p-channel

Teknologi dan Keluarga Logika• Keluarga digital merupakan

sekelompok piranti kompatibel dengan tingkat logika dan catu tegangan yang sama.

• Desain masa lalu adalah keluarga DTL yang memakai dioda dan transistor.

• Desain yang banyak dipakai saat ini adalah keluarga TTL yang menggunakan transistor dalam serpih SSI dan MSI.

• Keluarga ECL merupakan keluarga logika tercepat, banyak digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan kecepatan tinggi.

Tingkat Keterpaduan• SSI Teknologi kepadatan IC yang terdiri dari 1-10 gerbang

• MSI Teknologi kepadatan IC yang terdiri dari 10-100 gerbang

• LSI Teknologi kepadatan IC yang terdiri dari 100-100.000 gerbang

• VLSI Teknologi kepadatan IC yang terdiri dari 100.000 gerbang lebih dalam setiap serpih

Perbandingan Teknologi Keterpaduan

IC Mikroprosesor

Karakteristik dan Parameter Operasional Dasar

Properti operasional dari Integrated Circuit (IC) digital yang harus diperhatikan adalah :

1. level tegangan2. kekebalan terhadap derau3. disipasi daya4. fan-out5. waktu tunda rambatan

Tegangan Catu DC • Nilai nominal untuk tegangan catu DC untuk TTL adalah +5V. Sedangkan untuk CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) memiliki beberapa kategori nilai tegangan catu, yaitu : +5V, +3,3V, 2,5V, dan 1,2V.

• Level logika untuk CMOS dan TTL :Jenis

ICTeganga

n Catu DC

VIL (V) VIH (V) VOL(V) VOH(V)

CMOS +5V 0 – 1,5 3,3 - 5 0 – 0,33

4,4 -5

+3,3V 0 – 0,8 2 – 3,3 0 – 0,4 2,4 – 3,3

2,5V1,2V

TTL +5V 0 – 0,8 2 - 5 0 – 0,4 2,4 - 5

Kekebalan terhadap Derau (Noise Immunity)

• Derau adalah tegangan yang tidak dikehendaki yang terinduksi dalam rangkaian elektrik dan dapat mengganggu operasi dari rangkaian.

• Kekebalan terhadap derau yaitu kemampuan untuk mentolerir sejumlah tertentu dari fluktuasi tegangan yang tidak diinginkan pada input tanpa mengubah keadaan output.

• Ukuran dari noise immunity suatu rangkaian disebut dengan noise margin yang dinyatakan dengan satuan volt atau prosentase dari Vcc.

Noise margin terdiri dari dua buah nilai yaitu HIGH level noise margin (VNH) dan LOW level noise margin (VNL) yang ditentukan dari persamaan :

VNH=VOH(min) – VIH(min)

VNL=VIL(maks)-VOL(maks)

Disipasi Daya (Power Dissipation)

• Gerbang logika mendapatkan arus dari sumber tegangan dc seperti :

+Vcc

TINGGI

ICCH

RENDAH

+Vcc

RENDAH

ICCL

TINGGI

TINGGI

Saat gerbang diberi masukan yang berbeda maka kemungkinan output akan berubah-ubah antara TINGGI dan RENDAH, dan jumlah arus yang mengalir juga berubah antara ICCH dan ICCL.

2CCLCCH

CCIII

CCCCD IVP

Rata-rata disipasi daya tergantung dari duty cycle (biasanya duty cycle ditentukan sebesar 50%). Jika duty cycle 50% maka :

Rata-rata disipasi daya adalah :

Kurva hubungan antara Daya dan Frekuensi dari TTL dan CMOS

DayaTTL

f

CMOS

Waktu Tunda Rambatan (Propagation Delay Time)

• Saat suatu sinyal dimasukkan ke suatu rangkaian logika, perubahan level output terjadi beberapa saat setelah perubahan level input. Tunda ini disebut sebagai waktu tunda rambatan.

• Dua buah waktu tunda rambatan untuk gerbang logika :1. tPHL yaitu waktu antara titik tertentu pada pulsa input dan pada pulsa output saat output berubah dari TINGGI ke RENDAH.2. tPLH yaitu waktu antara titik tertentu pada pulsa input dan pada pulsa output saat output berubah dari RENDAH ke TINGGI.

Waktu tunda rambatan dapat dijelaskan sbb :

TINGGI

InputOutput

Input

Output

tPLH tPHL

Fan-Out /Loading Factor (Faktor Pembebanan)

• Saat output dari suatu gerbang dihubungkan dengan satu atau sejumlah input dari gerbang yang lain, maka terdapat beban yang ditanggung oleh gerbang yang men-drive.

• Ada batasan mengenai banyaknya input gerbang yang dapat di-drive oleh suatu gerbang, ini disebut sebagai fan-out dari gerbang.

Keadaan elemen logika Logika 0 sebagai level tegangan rendah

Logika 1 sebagai level tegangan tinggi (untuk teknologi bipolar : 5 volt; dan MOS : 3 -15 volt)

Tegangan ambang saat elemen logika memberikan respons untuk teknologi bipolar. Misalnya TTL, logika 1 ambangnya sebesar 2 volt, logika 0 ambangnya sebesar 0,8 volt.

MOS, logika 1 ambangnya sebesar 0,7 x tegangan catu VDD dan logika 0 ambangnya sebesar 0,3 X tegangan catu VDD

B. Klasifikasi Logika Elektronika

• Menurut komponen yang digunakan, klasifikasinya adalah: – RTL (Resistor - Transistor Logic)

– DTL (Dioda - Transistor Logic)

– TTL (Transistor - Transistor Logic)

– ECL (Emiter Couple - Transistor Logic)

1. Keluarga RTL (Resistor Transistor Logic)

Fan out dari RTL tidak lebih dari 5.

Gambar Gerbang NOT dari keluarga RTL

Gambar tersebut merupakan rangkaian switching transistor yang digerakkan oleh tegangan step (tangga).

Jika tegangan masukan Low (0), transistor akan tersumbat (cut-off), sehingga transistor berfungsi sebagai saklar terbuka, mengakibatkan LED mati (keluaran 1)

Jika tegangan masukan High (1), transistor akan jenuh (saturasi), sehingga transistor berfungsi sebagai saklar tertutup, mengakibatkan LED mrnyala (keluaran 0)

2. Keluarga DTL (Diode Transistor Logic)

• Lebih canggih dan cepat dari RTL

• fan out = 6 • Relatif lambat (propagasinya 30 nanodetik)

• Mengandung derau 1,2 volt dan disipasi daya per gerbangnya 11 mW

Gerbang Or dari keluarga DTL

• Rangkaian diatas terdiri dari 2 dioda sebagai masukannya.

• jika salah satu atau keduanya dalam keadaan tinggi (1) maka keluaran Y akan tinggi atau aktif.

• Jika kedua masukannya rendah (0) maka keluarannya akan rendah (0)

Rangkaian gerbang AND dalam DTL

• Jika salah satu masukannya atau keduanya dalam keadaan rendah, maka keluaran akan rendah, sedangkan jika kedua masukan tinggi, maka keluaran akan tinggi.

• Kekurangan DTL– Sangat lamban dalam penyaklarannya

– Impedansi keluarannya tinggi dalam logika 1

– Kemampuan fan-out = 8– Faktor deraunya besar

3. Keluarga TTL (Transistor-transistor

Logic)• Keuntungan

–Jauh lebih cepat, pemakaian daya hemat dan kebal derau, tidak mahal dan mudah digunakan.

• Transistor bipolar dapat digunakan dalam dua cara yaitu mode jenuh dan mode tidak jenuh yang diibaratkan sebagai saklar (switch)

• Biasanya diberi notasi 74XX

Gambar logika NAND dari TTL

• Jika kedua masukan atau salah satu masukannya dalam keadaan 0, maka Tr1 akan aktif (on) dan tegangan pada kaki basisnya sebesar 1 V, tegangan itu akan melewati dioda Ds dan tegangan menjadi berkurang 1v-0,7v=0,3 v. Tegangan 0,3 v tidak cukup untuk mengaktifkan Tr2, sehingga Tr2 OFF. Tr2 menjadi inverter yang menghasilkan out 1. Tegangan output yang dihasilkan oleh Tr2 sebesar 3,4 volt

Jenis-jenis IC TTLa.Ttl Schottky yang mampu

beroperasi pada kecepatan tinggi dan berdaya rendah.Tegangan maju hanya 0,4 volt agar mencegah transistor dari kejenuhan

.b. TTL Low Power schottky (LS)Menggunakan teknik perpaduan yang berbeda dan penambahan nilai resistor internal yang merupakan perpaduan daya rendah dan kecepatan tinggi.

c. TTL Advanced Low-Power Schottky (ALS)

– Jenis ini lebih ramping, lebih murah dan tersedia dengan semua fungsi logika seperti pada IC TTL standar (74XX).

– Perpaduan proses baru yang disebut oxide isolation telah mengurangi

– waktu propagasi menjadi 3-6 nanodetik karena transistor diisolasi oleh saluran oxide.

Karakteristik IC TTL dari Pabrik Pembuat IC

C. Konfigurasi Kolektor Terbuka

• Gambar rangkaian gerbang NAND dua masukan dengan keluaran kolektor terbuka pada transistor Q4. Gerbang tak dapat beroperasi dengan wajar sebelum dihubungkan dengan resistor pull-up.

• Kerugiannya adalah waktu swithing yang rendah

• Ketika Q4 dalam keadaan off maka Vout mendekati 5 (high). Sedangkan ketika Q4 dalam keadaan aktif (on) maka vout mendekati 0 (low)

D. Keluarga CMOS• CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) menggunakan komplemen dari transistor MOSFET (tipe N dan tipe P) yang disebut MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

• MOSFET lebih banyak digunakan sebagai memori skala besar dan mikroprosesor dalam kategori LSI dan VLSI.

• Kelebihan MOSFET dari transistor adalah masukannya yang secara listrik diisolasi dari sela MOSFET sehingga menghasilkan impedansi masukan tinggi.

• Piranti MOSFET N-channel serupa dengan transistor NPN. Arus hanya mengalir dari Drain melewati Source jika suatu tegangan positif diterapkan pada basis, Basisnya MOSFET adalah Gate

• Simbol MOSFET N-Channel

• Piranti IC dari seri MOS terdiri dari 3 jenis, yaitu1. IC PMOS yang terbuat dari

MOSFET saluran P2. IC NMOS yang terbuat dari

MOSFET saluran N lebih banyak digunakan karena kecepatannya lebih tinggi dan pengemasannya lebih padat.

3. IC CMOS yang dibuat dari gabungan MOSFET saluran P dan N

E. Gerbang Logika CMOS

• Gambar rangkaian gerbang NOT IC CMOS

• Dengan tegangan masukan vin=1, MOSFET saluran N adalah ON dan MOSFET saluran P adalah OFF, sedangkan tegangan keluarannya Vout=0. Begitu juga sebaliknya

Seri IC keluarga CMOS1. IC CMOS seri 4000

Pemakaian daya yang sangat rendah dan dapat digunakan dalam piranti yang menggunakan catu daya batu baterai.

Lebih lambat dari TTL dan memiliki elektrostatik yang lebih rendah sebagai pelindung pelepas muatan.

Tegangan catu daya +3 Volt sampai +15 Volt

Untuk logika 0Dengan Vin paling sedikit 0-1/3 Vcc

Dengan Vin minimun 1-2/3 Vcc

2. IC CMOS seri 40H00Tipe ini beroperasi lebih cepat dibandingkan dengan seri 4000

3. IC CMOS seri 74C00 Dikembangkan untuk dapat digabungkan dengan pin IC dari keluarga TTL. IC ini memiliki pin seperti TTL. Daya yang dikonsumsi rendah. Namun kecepatannya lebih lambat dari TTL

4.

4. IC CMOS seri 74C00 (high speed CMOS) dan 74HCT00 (high speed CMOS TTL Compatible)IC jenis ini memiliki kekebalan lebih besar terhadap derau, jangkauan tegangan lebih besar dan sanggup bekerja pada operasi temperature yang lebih luas.

5. IC CMOS seri 74BICMOS Seri ini adalah perpaduan transistor bipolar dan transistor CMOS.

IC jenis ini memiliki karaktreristik kecepatan tinggi dari sambungan PN dipandu dengan karakteristik daya rendah dari CMOS yang memiliki daya yang sangat rendah dan kecepatan operasi yang tinggi.

6. IC CMOS seri 74-Low Voltage Memiliki catu daya 3,3 V IC ini memiliki catu daya rendah seperti baterai dan dapat digenggam contohnya pada notebook, hp.

IC CMOS diidentifikasi dengan singkatan kode huruf dan angka sebagai berikut LV :Low VoltageLVC :Low Voltage CMOSLVT :Low Voltage TechnologyALVC :Advanced Low VoltageHLL :High Speed Low Power Low Voltage

F. PERBANDINGAN IC TTL dan IC CMOS

• Kelebihan IC TTL Lebih tahan bila terkena gangguan misalnya muatan statis

Kecepatannya lebih tinggi dari CMOS

• Kekurangan IC TTL IC ini membutuhkan daya yang relatif besar

IC TTL bekerja pada suplai DC 5 Volt

• Kelebihan IC CMOS Konsumsi dayanya rendah sehingga cocok digunakan untuk peralatan elektronik dengan daya rendah seperti baterai

Dapat beroperasi pada berbagai tegangan suplai DC yang bisa mencapai 15 Volt

• Kekurangan IC CMOS Tidak tahan muatan statis Kecepatan kerja lebih rendah dibandingkan IC TTL

• Pada IC CMOS setiap kaki pin harus dibuang agar IC tidak rusak.

• Pada IC TTL, semua kaki yang tidak terhubung mempunyai nilai logika 1.

• Setiap IC memiliki kode-kode yang disimbolkan dengan huruf-huruf yang terletak di antara kode angka yaitu :– ALS : Advanced Low Power Schottky TTL Logic

– C : CMOS Logis– H : High Speed TTL Logic– HC : High Speed CMOS Logic– HCT : High Speed CMOS Logic (with TTL input)

– L : Low Power TTL Logic– LS : Low Power Schottky TTL Logic– S : Schottky TTL Logic

•Untuk kode huruf di depan angka menunjukkan pabrik pembuatnya sedangkan angka 74 menunjukkan jenis ICnya

•Contoh IC dengan kode DM 7408 N, yang memiliki arti•DM :Pabrik pembuatnya adalah National Semiconductor

•74 : Jenis 74XX TTL•08 : Gerbang AND•N : Kemasan IC dalam bentuk DIP (dual in-line Pin)

SEKIAN DAN TERIMA KASIH