Gerbang Logika Digital

Gerbang Logika Digital adalah rangkaian elektronik yang membuat keputusan logis berdasarkan kombinasi sinyal digital yang ada pada inputnya.

Gerbang logika digital mungkin memiliki lebih dari satu input, (A, B, C, dll.) Tetapi umumnya hanya memiliki satu output digital, (Q). Gerbang logika individu dapat dihubungkan bersama untuk membentuk rangkaian logika kombinasional atau logika sekuensial, atau fungsi gerbang logika yang lebih besar.

Gerbang logika digital standar yang ada secara umum tersedia dalam dua keluarga atau bentuk dasar, TTL atau Transistor-Transistor Logic seperti seri 7400, dan CMOS atau Complementary Metal-Oxide-Silicon yang merupakan 4000 seri chip. Notasi TTL atau CMOS ini mengacu pada teknologi logika yang dipakai untuk memproduksi Integrated Circuit, (IC) atau "chip" seperti yang lebih sering disebut.

Secara umum, logika TTL menggunakan IC Transistor Bipolar jenis transistor NPN dan transistor PNP sedangkan IC logika CMOS menggunakan MOSFET atau JFET jenis Field Effect Transistor pelengkap untuk rangkaian input dan output.

Seperti halnya teknologi TTL dan CMOS, gerbang logika digital sederhana juga dapat dibuat dengan menghubungkan bersama Dioda, Transistor dan Resistor untuk menghasilkan seperti, RTL gerbang logika Resistor-Transistor, DTL gerbang logika Dioda-Transistor, atau ECL gerbang logika Emitter-Coupled tetapi ini kurang umum sekarang dibandingkan dengan keluarga CMOS yang populer.

Integrated circuit atau IC, dapat dikelompokkan bersama ke dalam keluarga sesuai dengan jumlah transistor atau "gerbang" yang dikandungnya. Sebagai contoh, gerbang AND sederhana yang hanya berisi beberapa transistor individu, adalah sebagai mikroprosesor yang lebih kompleks dapat berisi ribuan gerbang transistor individu.

Integrated circuit IC dikategorikan menurut jumlah gerbang logika atau kompleksitas rangkaian dalam satu chip dengan klasifikasi umum untuk jumlah gerbang individu yang diberikan sebagai:

Klasifikasi Integrated Circuit (IC)

• Small Scale Integration (SSI) - Mengandung hingga 10 transistor atau beberapa gerbang dalam satu paket tunggal seperti  gerbang AND, OR, NOT.
• Medium Scale Integration (MSI) - antara 10 dan 100 transistor atau puluhan gerbang dalam satu paket dan melakukan operasi digital seperti adders, decoder, counter, flip-flop dan multiplexer.
• Large Scale Integration (LSI) - yaitu antara 100 dan 1.000 transistor atau ratusan gerbang dan menjalankan operasi digital tertentu seperti memori, logika, chip I/O, dan unit aritmatika.
• Very-Large Scale Integration (VLSI) - antara 1.000 dan 10.000 transistor atau ribuan gerbang dan melakukan operasi komputasi seperti prosesor, susunan memori besar, dan perangkat logika yang dapat diprogram.
• Super-Large Scale Integration (SLSI) - yaitu antara 10.000 dan 100.000 transistor dalam satu paket dan menjalankan operasi komputasi seperti chip mikroprosesor, pengontrol mikro, PIC dasar dan juga kalkulator.
• Ultra-Large Scale Integration (ULSI) - lebih dari 1 juta transistor - anak besar yang digunakan dalam komputer CPU, GPU, prosesor video, pengontrol mikro, FPGA dan PIC kompleks.

Sementara klasifikasi ULSI "skala besar" kurang digunakan dengan baik, tingkat integrasi lain yang mewakili kompleksitas Integrated circuit dikenal sebagai System-on-Chip atau ( SOC ). Di sini komponen individu seperti mikroprosesor, memori, periferal, I/O, dll logika, semuanya diproduksi pada selembar silikon dan yang mewakili seluruh sistem elektronik dalam satu chip tunggal, secara harfiah menempatkan kata "terintegrasi" ke dalam rangkaian terintegrasi.

Chip terintegrasi lengkap ini yang dapat memuat hingga 100 juta gerbang transistor silikon-CMOS individu dalam satu paket tunggal umumnya digunakan pada telepon seluler, kamera digital, pengontrol mikro, aplikasi PIC dan tipe robot.

Hukum Moore

Pada tahun 1965, co-founder Gordon Moore dari Intel Corporation memperkirakan bahwa "Jumlah transistor dan resistor pada satu chip akan berlipat ganda setiap 18 bulan" mengenai pengembangan teknologi gerbang semikonduktor. Ketika Gordon Moore membuat komentarnya yang terkenal di tahun 1965, hanya ada sekitar 60 gerbang transistor individu pada satu chip silikon atau mati.

Mikroprosesor pertama di dunia pada tahun 1971 adalah Intel 4004 yang memiliki bus data 4-bit dan berisi sekitar 2.300 transistor pada satu chip, yang beroperasi pada sekitar 600kHz. Saat ini, Intel Corporation telah menempatkan 1,2 miliar gerbang transistor individu yang mengejutkan ke dalam chip mikroprosesor 64-bit Quad-core i7-2700K baru yang beroperasi di hampir 4GHz, dan jumlah transistor on-chip masih meningkat, karena mikroprosesor baru yang lebih cepat dan pengendali mikro dikembangkan.

Keadaan Logika Digital

Gerbang Logika Digital adalah blok bangunan dasar dari mana semua rangkaian elektronik digital dan sistem berbasis mikroprosesor yang dibangun dari. Gerbang logika digital dasar melakukan operasi logika gerbang AND, gerbang OR dan gerbang NOT pada angka-angka biner.

Dalam desain logika digital, hanya dua level tegangan atau keadaan yang diizinkan dan keadaan ini umumnya disebut sebagai Logika "1" dan Logika "0", atau HIGH dan LOW, atau TRUE dan FALSE. Kedua keadaan ini diwakili dalam Aljabar Boolean dan tabel kebenaran standar oleh digit biner " 1 " dan " 0 " masing-masing.

Contoh yang baik dari keadaan digital adalah sakelar lampu sederhana. Sakelar dapat berupa "ON" atau "OFF", satu keadaan atau lainnya, tetapi tidak keduanya sekaligus. Kemudian kita dapat meringkas hubungan antara berbagai keadaan digital ini sebagai:

Aljabar Boolean	Logika Boolean	Keadaan Tegangan
Logika "1"	TRUE (T)	HIGH (H)
Logika "0"	FALSE (F)	LOW (L)

Sebagian besar gerbang logika digital dan sistem logika digital menggunakan "Logika positif", di mana tingkat logika "0" atau "LOW" diwakili oleh tegangan nol, 0v atau ground dan tingkat logika "1" atau "HIGH" diwakili oleh tegangan yang lebih tinggi seperti +5 volt, dengan beralih dari satu level tegangan ke yang lain, dari level logika “0” ke “1” atau “1” ke “0” dibuat secepat mungkin untuk mencegah operasi yang salah dari rangkaian logika.

Ada juga ada sistem "Logika Negatif" komplementer di mana nilai dan aturan logika "0" dan logika "1" dibalik, tetapi di bagian tutorial tentang gerbang logika digital ini, kita hanya akan merujuk pada konvensi logika positif karena ini adalah yang paling umum digunakan.

Dalam standar TTL (transistor-transistor logika) IC terdapat kisaran tegangan yang telah ditentukan sebelumnya untuk level tegangan input dan output yang mendefinisikan dengan tepat apa yang dimaksud dengan level logika “1” dan apa yang dimaksud dengan level logika “0” dan ini ditunjukkan di bawah ini.

Level Tegangan Input dan Output TTL

Ada berbagai macam tipe gerbang logika di kedua bipolar 7400 dan CMOS 4000 keluarga gerbang logika digital seperti 74Lxx, 74LSxx, 74ALSxx, 74HCxx, 74HCTxx, 74ACTxx dll, dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan yang berbeda dibandingkan dengan yang lain. Tegangan switching yang tepat diperlukan untuk menghasilkan logika "0" atau logika "1" tergantung pada kelompok logika atau keluarga tertentu.

Namun, ketika menggunakan supply +5 volt standar, setiap input tegangan TTL antara 2.0v dan 5v dianggap sebagai logika "1" atau "HIGH" sementara setiap input tegangan di bawah 0,8v diakui sebagai logika "0" atau "LOW” Daerah tegangan di antara dua level tegangan ini baik sebagai input atau sebagai output disebut Daerah tak tentu dan beroperasi dalam daerah ini dapat menyebabkan gerbang logika untuk menghasilkan output palsu.

Keluarga logika CMOS 4000 menggunakan tingkat tegangan yang berbeda dibandingkan dengan tipe TTL karena mereka dirancang menggunakan transistor efek medan, atau FET. Dalam teknologi CMOS, level logika "1" beroperasi antara 3.0 dan 18 volt dan level logika "0" di bawah 1.5 volt. Kemudian tabel berikut menunjukkan perbedaan antara tingkat logika TTL tradisional dan gerbang logika CMOS.

Tingkat Logika TTL dan CMOS

Tipe Perangkat	Logika 0	Logika 1
TTL	0 sampai 0.8v	2.0-5v (VCC )
CMOS	0 sampai 1.5v	3.0 sampai 18v (VDD )

Kemudian dari pengamatan di atas, kita dapat mendefinisikan gerbang logika digital TTL yang ideal sebagai gerbang yang memiliki logika tingkat "LOW" (0) dari 0 volt (ground) dan logika level "HIGH" (1) dari +5 volt dan hal ini bisa ditunjukkan sebagai dibawah ini:

Tingkat Tegangan Gerbang Logika Digital TTL Ideal

Di mana pembukaan atau penutupan sakelar menghasilkan level logika "1" atau level logika "0" dengan resistor R yang dikenal sebagai resistor "pull-up".

Kebisingan (noise) Logika Digital

Namun, di antara nilai-nilai HIGH dan LOW yang ditetapkan ini terletak apa yang umumnya disebut "tanah tak bertuan" (area biru di atas) dan jika kita menerapkan tegangan sinyal dari nilai dalam daerah tak bertuan ini, kita tidak tahu apakah gerbang logika akan meresponsnya sebagai level "0" atau sebagai level "1", dan hasilnya akan menjadi tidak dapat diprediksi.

Noise adalah nama yang diberikan untuk tegangan acak dan tidak diinginkan yang diinduksi ke rangkaian elektronik oleh gangguan eksternal, seperti dari sakelar terdekat, fluktuasi catu daya atau dari kabel dan konduktor lain yang mengambil radiasi elektromagnetik yang tersesat. Maka agar gerbang logika tidak dipengaruhi oleh kebisingan di harus memiliki sejumlah margin kebisingan atau kekebalan kebisingan.

Gerbang Logika Digital Kekebalan Kebisingan (Noise)

Dalam contoh di atas, sinyal noise ditumpangkan ke tegangan supply Vcc dan selama itu tetap di atas level minimum (V_ON(min)) input output yang sesuai dari gerbang logika tidak terpengaruh.

Tetapi ketika tingkat kebisingan menjadi cukup besar dan lonjakan kebisingan menyebabkan tingkat tegangan HIGH turun di bawah tingkat minimum ini, gerbang logika dapat menafsirkan lonjakan ini sebagai input tingkat LOW dan beralih output sesuai dengan itu menghasilkan beralih output palsu.

Maka agar gerbang logika tidak terpengaruh oleh noise, ia harus mampu mentolerir sejumlah noise yang tidak diinginkan pada inputnya tanpa mengubah keadaan outputnya.

Gerbang Logika Digital Dasar Sederhana

Gerbang logika digital sederhana bisa dibuat dengan cara menggabungkan dioda, transistor dan resistor dengan misalya contoh sederhana seperti gerbang AND Diode-Resistor Logic (DRL) dan gerbang NAND Diode-Transistor Logic (DTL) yang diberikan di bawah ini.

2-input Diode-Resistor gerbang AND yang sederhana dapat dikonversi menjadi gerbang NAND dengan menambahkan satu transistor pembalik tahap ( NOT ). Menggunakan komponen diskrit seperti Dioda, Resistor dan Transistor untuk membuat rangkaian gerbang logika digital tidak digunakan dalam IC logika yang tersedia secara komersial karena IC ini mengalami delay propagasi atau keterlambatan gerbang dan juga kehilangan daya karena resistor pull-up.

Kerugian lain dari logika dioda-resistor adalah bahwa tidak ada fasilitas "Fan-out" yang merupakan kemampuan satu output untuk menggerakkan banyak input dari tahap selanjutnya. Juga jenis desain ini tidak sepenuhnya "OFF" karena Logika "0" menghasilkan tegangan output 0,6 v (penurunan tegangan dioda), sehingga desain rangkaian TTL dan CMOS berikut digunakan sebagai gantinya.

Gerbang Logika TTL Dasar

Dioda-Resistor gerbang AND sederhana di atas menggunakan dioda terpisah untuk inputnya, satu untuk setiap input. Karena transistor terdiri dari dua rangkaian dioda yang dihubungkan bersama yang mewakili perangkat transistor NPN atau transistor PNP, dioda input dari rangkaian DTL dapat diganti oleh satu transistor NPN tunggal dengan beberapa input emitor seperti yang ditunjukkan.

Karena gerbang NAND berisi satu tahap pembalik rangkaian transistor NPN (TR₂), level logika output "1" di Q hanya hadir ketika kedua penghasil TR₁ terhubung ke level logika "0" atau ground yang memungkinkan arus basis untuk lewat melalui persimpangan PN-junction emitter dan bukan collector. Beberapa penghasil TR₁ terhubung sebagai input sehingga menghasilkan fungsi gerbang NAND.

Dalam gerbang logika TTL standar, transistor beroperasi sepenuhnya di wilayah "cut off", atau sepenuhnya di wilayah saturasi, Transistor sebagai operasi tipe Switch.

Gerbang Logika Digital Emitter-Coupled

Emitter Coupled Logic atau ECL adalah jenis gerbang logika digital lainnya yang menggunakan logika transistor bipolar di mana transistor tidak dioperasikan di wilayah saturasi, seperti halnya dengan gerbang logika digital TTL standar. Alih-alih rangkaian input dan output adalah transistor terhubung push-pull dengan supply tegangan negatif terhadap ground.

Ini memiliki efek meningkatkan kecepatan operasi gerbang emitter coupling hingga Gigahertz dibandingkan dengan tipe TTL standar, tetapi noise memiliki efek yang lebih besar dalam logika ECL, karena transistor tak saturasi beroperasi dalam wilayah aktif mereka dan menguatkan sebagai serta switch sinyal.

Sub-family "74" dari Integrated Circuit ( IC )

Dengan perbaikan dalam desain rangkaian untuk memperhitungkan keterlambatan atau delay propagasi, konsumsi arus, persyaratan fan-in dan fan-out dll, jenis teknologi transistor bipolar TTL ini membentuk dasar dari family “74” sebelumnya dari IC logika digital, seperti "7400" Quad 2-input gerbang AND, atau "7402" Quad 2-input gerbang OR, dll.

Sub-family dari IC seri 74xx tersedia terkait dengan berbagai teknologi yang digunakan untuk membuat gerbang dan dilambangkan dengan huruf-huruf di antara 74 penunjukan dan nomor perangkat.

Ada sejumlah sub-family TTL yang tersedia yang menyediakan berbagai kecepatan switching dan konsumsi daya seperti gerbang AND 74L00 atau 74ALS00, adalah “L” atau “Low-power TTL” dan “ALS” atau “Advanced Low-power Schottky TTL” kemudian ini dapat dilihat di tunjukkan .

• 74xx atau 74Nxx: TTL Standar - Perangkat ini adalah family asli gerbang logika TTL yang diperkenalkan pada awal 70-an. Mereka memiliki penundaan propagasi sekitar 10ns dan konsumsi daya sekitar 10mW. Rentang tegangan supply: 4.75 hingga 5.25 volt
• 74Lxx: TTL Daya Rendah - Konsumsi daya ditingkatkan dari jenis standar dengan meningkatkan jumlah resistansi internal tetapi dengan biaya pengurangan kecepatan switching. Rentang tegangan supply: 4.75 hingga 5.25 volt
• 74Hxx: TTL Kecepatan Tinggi - Kecepatan switching ditingkatkan dengan mengurangi jumlah hambatan internal. Ini juga meningkatkan konsumsi daya. Rentang tegangan supply: 4,75 hingga 5,25 volt
• 74Sxx: Schottky TTL - Teknologi Schottky digunakan untuk meningkatkan impedansi input, kecepatan switching, dan konsumsi daya (2mW) dibandingkan dengan tipe 74Lxx dan 74Hxx. Rentang tegangan supply: 4.75 hingga 5.25 volt
• 74LSxx: Low Power Schottky TTL - Sama seperti tipe 74Sxx tetapi dengan peningkatan resistansi internal untuk meningkatkan konsumsi daya. Rentang tegangan supply: 4.75 hingga 5.25 volt
• 74ASxx: Advanced Schottky TTL - Peningkatan desain lebih dari tipe 74Sxx Schottky dioptimalkan untuk meningkatkan kecepatan switching dengan mengorbankan konsumsi daya sekitar 22mW. Rentang tegangan supply: 4.5 hingga 5.5 volt
• 74ALSxx: Advanced Low Power Schottky TTL - Konsumsi daya yang lebih rendah sekitar 1mW dan kecepatan switching 4nS yang lebih tinggi dibandingkan dengan tipe 74LSxx. Rentang tegangan supply: 4.5 hingga 5.5 volt
• 74HCxx: CMOS Berkecepatan Tinggi - teknologi CMOS dan transistor untuk mengurangi konsumsi daya kurang dari 1uA dengan input yang kompatibel dengan CMOS. Rentang tegangan supply: 4.5 hingga 5.5 volt
• 74HCTxx: CMOS Berkecepatan Tinggi - teknologi CMOS dan transistor untuk mengurangi konsumsi daya kurang dari 1uA tetapi telah meningkatkan delay propagasi sekitar 16nS karena input yang kompatibel dengan TTL. Rentang tegangan supply: 4.5 hingga 5.5 volt

Dasar Gerbang Logika Digital CMOS

Salah satu kelemahan utama dengan gerbang logika digital seri TTL adalah bahwa gerbang logika didasarkan pada teknologi logika transistor bipolar dan karena transistor adalah perangkat yang dioperasikan arus, mereka mengkonsumsi daya dalam jumlah besar dari catu daya +5 volt tetap.

Juga, gerbang transistor bipolar TTL memiliki kecepatan operasi terbatas ketika beralih dari status "OFF" ke status "ON" dan sebaliknya disebut "gerbang" atau "delay propagasi". Untuk mengatasi keterbatasan ini MOS pelengkap disebut “CMOS” ( Complementary Metal Oxide Semiconductor) gerbang logika yang menggunakan “Field Effect Transistor” atau FET dikembangkan.

Karena gerbang ini menggunakan MOSFET P-channel dan N-channel sebagai perangkat input mereka, pada kondisi diam tanpa beralih, konsumsi daya gerbang CMOS hampir nol, (1 hingga 2μA) menjadikannya ideal untuk digunakan pada baterai berdaya rendah. Rangkaian dan dengan kecepatan switching ke atas 100MHz untuk digunakan dalam pengaturan frekuensi tinggi dan rangkaian komputer.

Contoh gerbang CMOS ini berisi tiga MOSFET N-channel, satu untuk setiap input FET₁ dan FET₂ dan satu untuk output FET₂. Ketika kedua input A dan B berada pada level logika "0", FET₁ dan FET₂ keduanya diaktifkan "OFF" memberikan logika output "1" dari sumber/source FET₃.

Ketika satu atau kedua input berada pada level logika “1” mengalir melalui FET yang bersesuaian, memberikan status output pada Q yang setara dengan logika “0”, sehingga menghasilkan fungsi gerbang NAND.

Peningkatan dalam desain rangkaian sehubungan dengan kecepatan switching, konsumsi daya yang rendah, dan keterlambatan propagasi yang ditingkatkan telah menghasilkan family logika IC "CMOS 4000" standar yang sedang dikembangkan yang melengkapi kisaran TTL.

Seperti dengan gerbang logika digital TTL standar, semua gerbang logika digital utama dan perangkat tersedia dalam paket CMOS seperti CD4011, gerbang NAND Quad-input 2, atau CD4001, sebuah gerbang NOR input 2 Quad bersama dengan semua sub-family mereka.

Seperti logika TTL, rangkaian MOS (CMOS) komplementer memanfaatkan fakta bahwa perangkat N-channel dan P-channel dapat dibuat bersama-sama pada bahan substrat yang sama untuk membentuk berbagai fungsi logika.

Salah satu kelemahan utama dengan kisaran CMOS IC dibandingkan dengan jenis TTL yang setara adalah bahwa mereka mudah rusak oleh listrik statis. Juga tidak seperti gerbang logika TTL yang beroperasi pada tegangan +5V tunggal untuk tingkat input dan output, gerbang logika digital CMOS beroperasi pada tegangan supply tunggal antara +3 dan +18 volt.

Sub-family CMOS umum meliputi:

• • 4000B Series: CMOS Standar - Perangkat ini adalah gerbang logika Buffered CMOS asli yang diperkenalkan pada awal 70-an dan beroperasi dari tegangan supply 3.0 hingga 18v dc
• • Seri 74C: 5v CMOS - Perangkat ini kompatibel dengan pin dengan perangkat TTL 5v standar karena switching logika diimplementasikan dalam CMOS tetapi dengan input yang kompatibel dengan TTL. Mereka beroperasi dari tegangan supply 3.0 hingga 18v dc

Perhatikan bahwa gerbang dan perangkat logika CMOS peka terhadap statis, jadi selalu lakukan tindakan pencegahan yang sesuai untuk mengerjakan tikar antistatik atau meja kerja yang di-ground-kan, mengenakan gelang antistatik dan tidak melepaskan bagian dari kemasan antistatiknya sampai diperlukan.

Dalam tutorial berikutnya tentang Gerbang Logika Digital, kita akan melihat fungsi Gerbang Logika Digital Gerbang AND seperti yang digunakan dalam rangkaian logika TTL dan CMOS serta definisi Aljabar Boolean dan tabel kebenarannya.

Berbagi :