Fungsi Gerbang Dasar

Suku Cadang dan Bahan

• 4011 gerbang NAND segi empat (Katalog Radio Shack # 276-2411)
• Sakelar DIP delapan posisi (Katalog Radio Shack # 275-1301)
• LED grafik batang sepuluh segmen (Katalog Radio Shack # 276-081)
• Satu baterai 6 volt
• Dua resistor 10 kΩ
• Tiga resistor 470

Hati-hati! IC 4011 adalah CMOS, dan karenanya sensitif terhadap listrik statis!

Bacaan Lebih Lanjut

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 4, bab 3:“Gerbang Logika”

Tujuan Pembelajaran

• Tujuan resistor "pulldown"
• Cara eksperimen menentukan tabel kebenaran sebuah gerbang
• Cara menghubungkan gerbang logika bersama
• Cara membuat fungsi logika yang berbeda dengan menggunakan gerbang NAND

Diagram Skema Fungsi Gerbang Dasar

Ilustrasi Fungsi Gerbang Dasar

Petunjuk Percobaan

Untuk memulai, sambungkan satu gerbang NAND ke dua sakelar input dan satu LED, seperti yang ditunjukkan. Pada awalnya, penggunaan sakelar 8 posisi dan grafik batang LED 10 segmen mungkin tampak berlebihan karena hanya dua sakelar dan satu LED yang diperlukan untuk menunjukkan pengoperasian gerbang NAND tunggal. Namun, kehadiran sakelar dan LED tambahan tersebut membuatnya sangat nyaman untuk memperluas sirkuit dan membantu membuat tata letak sirkuit menjadi bersih dan ringkas.

Sangat disarankan agar Anda memiliki lembar data untuk 4011 chip tersedia saat Anda membangun sirkuit. Jangan hanya mengikuti ilustrasi di atas! Penting bagi Anda untuk mengembangkan keterampilan membaca lembar data, terutama diagram “pinout” saat menghubungkan terminal IC ke elemen rangkaian lainnya. Diagram koneksi lembar data adalah informasi penting yang harus dimiliki. Ditampilkan di sini adalah rendisi saya sendiri dari apa saja 4011 lembar data menunjukkan:

Dalam ilustrasi papan tempat memotong roti, saya telah menunjukkan rangkaian yang dibangun menggunakan gerbang NAND kiri bawah:pin # 1 dan 2 adalah inputnya, dan pin # 3 adalah outputnya. Pin # 14 dan 7 menghantarkan daya DC ke keempat rangkaian gerbang di dalam chip IC, “V_DD ” mewakili sisi positif catu daya (+V), dan “Gnd” mewakili sisi negatif catu daya (-V), atau ground. Terkadang terminal catu daya negatif akan diberi label “V_SS ” bukannya “Gnd” pada lembar data, tetapi artinya sama.

Sirkuit logika digital tidak menggunakan catu daya terpisah seperti yang dilakukan op-amp. Seperti rangkaian op-amp, ground masih merupakan titik referensi implisit untuk semua pengukuran tegangan. Jika saya berbicara tentang sinyal "tinggi" yang ada pada pin chip tertentu, maksud saya adalah ada tegangan penuh antara pin itu dan sisi negatif catu daya (ground).

Perhatikan bagaimana semua input dari gerbang yang tidak digunakan di dalam 4011 chip terhubung baik ke V_DD atau tanah. Ini bukan kesalahan, tetapi tindakan desain yang disengaja. Sejak 4011 adalah sirkuit terintegrasi CMOS, dan input sirkuit CMOS dibiarkan tidak terhubung (mengambang ) dapat mengasumsikan level tegangan apa pun hanya dengan mencegat muatan listrik statis dari objek terdekat, membiarkan input mengambang berarti gerbang yang tidak digunakan tersebut dapat menerima kombinasi acak dari sinyal "tinggi" dan "rendah".

Mengapa ini tidak diinginkan, jika kita tidak menggunakan gerbang itu? Siapa yang peduli sinyal apa yang mereka terima, jika kita tidak melakukan apa pun dengan output mereka? Masalahnya adalah jika sinyal tegangan statis muncul di input gerbang yang tidak sepenuhnya "tinggi" atau sepenuhnya "rendah", transistor internal gerbang mungkin mulai menyala sedemikian rupa sehingga menarik arus berlebih. Paling buruk, ini dapat menyebabkan kerusakan chip.

Paling-paling itu berarti konsumsi daya yang berlebihan. Tidak masalah jika kita memilih untuk menghubungkan input gerbang yang tidak digunakan ini "tinggi" (V_DD ) atau “rendah” (ground), selama kita menghubungkannya ke salah satu dari dua tempat tersebut. Dalam ilustrasi papan tempat memotong roti, saya menunjukkan semua input teratas yang terhubung ke V_DD , dan semua input bawah (dari gerbang yang tidak digunakan) terhubung ke ground. Ini dilakukan hanya karena lubang rel catu daya itu lebih dekat dan tidak memerlukan kabel jumper yang panjang!

Harap dicatat bahwa tidak ada gerbang keluaran yang tidak digunakan telah terhubung ke V_DD atau tanah, dan untuk alasan yang bagus! Jika saya melakukan itu, saya mungkin memaksa gerbang untuk mengasumsikan keadaan keluaran yang berlawanan yang coba dicapai, yang merupakan cara rumit untuk mengatakan bahwa saya akan membuat korsleting. Bayangkan sebuah gerbang yang seharusnya mengeluarkan tingkat logika "tinggi" (untuk gerbang NAND, ini akan benar jika salah satu masukannya "rendah").

Jika gerbang seperti itu memiliki terminal output yang terhubung langsung ke ground, ia tidak akan pernah bisa mencapai status "tinggi" (dibuat secara elektrik sama dengan ground melalui koneksi kabel jumper). Sebagai gantinya, transistor keluaran atas (saluran-P) akan dihidupkan dengan sia-sia, sumber arus maksimum ke beban yang tidak ada. Ini kemungkinan besar akan merusak gerbang! Terminal keluaran gerbang, pada dasarnya, menghasilkan level logikanya sendiri dan tidak pernah "mengambang" dengan cara yang sama seperti yang dilakukan oleh input gerbang CMOS.

Kedua resistor 10 kΩ ditempatkan di sirkuit untuk menghindari kondisi input mengambang di gerbang yang digunakan. Dengan sakelar tertutup, input masing-masing akan terhubung langsung ke V_DD dan karena itu menjadi "tinggi." Dengan sakelar terbuka, 10 kΩ “pulldown ” resistor menyediakan koneksi resistif ke ground, memastikan status “rendah” yang aman di terminal input gerbang. Dengan cara ini, input tidak akan rentan terhadap tegangan statis yang menyimpang.

Dengan gerbang NAND terhubung ke dua sakelar dan satu LED seperti yang ditunjukkan, Anda siap mengembangkan "tabel kebenaran" untuk gerbang NAND. Bahkan jika Anda sudah tahu seperti apa tabel kebenaran gerbang NAND, ini adalah latihan yang baik dalam eksperimen:menemukan prinsip-prinsip perilaku sirkuit dengan induksi. Gambarlah tabel kebenaran pada selembar kertas seperti ini:

“A” dan “B” kolom mewakili dua sakelar input, masing-masing. Saat sakelar hidup, statusnya "tinggi" atau 1. Saat sakelar mati, statusnya "rendah", atau 0, seperti yang dipastikan oleh resistor pull-downnya. Output gerbang, tentu saja, diwakili oleh LED:apakah menyala (1) atau tidak menyala (0). Setelah menempatkan sakelar di setiap kemungkinan kombinasi status dan merekam status LED, bandingkan tabel kebenaran yang dihasilkan dengan tabel kebenaran gerbang NAND yang seharusnya.

Seperti yang dapat Anda bayangkan, rangkaian papan tempat memotong roti ini tidak terbatas pada pengujian gerbang NAND. Jenis gerbang apa pun dapat diuji dengan dua sakelar, dua resistor pull-down, dan LED untuk menunjukkan status keluaran. Pastikan untuk memeriksa ulang diagram "pinout" chip sebelum menggantinya dengan pin-untuk-pin sebagai pengganti 4011 . Tidak semua chip gerbang “quad” memiliki penetapan pin yang sama!

Peningkatan Tambahan

Perbaikan yang mungkin ingin Anda lakukan pada rangkaian ini adalah menetapkan beberapa LED untuk menunjukkan status input, selain satu LED yang ditetapkan untuk menunjukkan output. Ini membuat operasi sedikit lebih menarik untuk diamati, dan memiliki manfaat lebih lanjut untuk menunjukkan jika sakelar gagal menutup (atau membuka) dengan menunjukkan true sinyal input ke gerbang, daripada memaksa Anda untuk menyimpulkan status input dari posisi sakelar:

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Gerbang Logika Dasar