آشنایی با مدارهای منطقی ترکیبی

در این آموزش، به مدارهای منطقی ترکیبی خواهیم پرداخت و در مورد نمونه‌های آن، در آموزش‌های بعدی صحبت خواهیم کرد.

مدارهای منطقی ترکیبی ، مدارهای منطقی دیجیتال بدون حافظه هستند که خروجی آن‌ها در هر لحظه از زمان فقط به ترکیب ورودی‌های آن بستگی دارد. برخلاف آن‌ها، خروجی‌های مدارهای منطقی ترتیبی، تابع ورودی‌­های فعلی­شان و وضعیت خروجی قبلی­شان‌ است و در واقع نوعی مدار حافظه­‌دار به شمار می­‌روند. خروجی مدارهای ترکیبی توسط یک تابع منطقی از وضعیت ورودی­­ فعلی آن­‌ها در هر لحظه، که 0 و 1 منطقی هستند، تعیین می­‌شود.

درنتیجه این مدارها، مدارهایی بدون فیدبک هستند که هر تغییری در سیگنال‌های ورودی‌، بلافاصله در خروجی اثر می‌گذارد. به عبارت دیگر، در یک مدار منطقی ترکیبی، خروجی در هر زمان­ به ترکیب ورودی‌های آن وابسته است. بنابراین یک مدار ترکیبی، یک مدار بدون حافظه است.

بنابراین، اگر یکی از شرایط ورودی از 0 به 1 یا از 1 به 0 تغییر کند، خروجی متناظر نیز تغییر خواهد کرد، به این خاطر که مدارهای ترکیبی به‌صورت پیش‌فرض هیچ حافظه، زمان‌بندی یا حلقه­‌های فیدبکی در طراحی خود ندارند.

منطق ترکیبی

مدارهای منطقی ترکیبی، از گیت­‌های منطقی پایه NAND، NOR یا NOT تشکیل شده‌­اند که با ترکیب یا اتصال آن‌ها به یک‌دیگر می‌­توان مدارهای سوئیچینگ پیچیده‌­تری را ایجاد کرد. این گیت­‌های منطقی، بلوک‌­های سازنده­‌ی مدارهای ترکیبی هستند. دیکودرها (decoder) نمونه­‌ای از این مدارها هستند که داده‌های باینری موجود در ورودی­ خود را به چندین خط خروجی مختلف تبدیل می‌­کنند و در هر لحظه کد دهدهی معادل آن را در خروجی تولید می‌کنند.

مدارهای ترکیبی می­‌توانند بسیار ساده یا بسیار پیچیده باشند. در طراحی این مدارات تنها از گیت­‌های NAND و NOR استفاده شده است که به عنوان گیت­‌های جامع (universal) شناخته می‌­شوند.

برای تعیین تابع یک مدار منطقی ترکیبی سه روش اصلی وجود دارد که عبارتند از:

1. جبر بولی (Boolean Algebra): این روش از یک عبارت جبری تشکیل شده که عملکرد مدار منطقی را به ازای هر ورودی متغیرِ True یا False  تعیین می‌­کند و نتیجه­‌ی خروجی 1 منطقی خواهد بود.

2. جدول صحت (Truth Table): این روش تابعی از یک گیت­ منطقی را ارائه می‌­کند که تمام حالات خروجی را در قالب یک جدول، به ازای همه ترکیب­‌های ممکن از متغیرهای ورودی گیت‌­ها نشان می­‌دهد.

3. نمودار منطقی (Logic Diagram): این مدل نمایشی گرافیکی از یک مدار منطقی است که مسیرها و اتصالات هر یک از گیت­‌های منطقی نمایش داده می­‌شود. لازم به ذکر است که هر گیت منطقی با یک نماد گرافیکی خاص نشان داده می‌شود. سه روش تعیین تابع مدار منطقی ترکیبی در شکل زیر نشان داده شده است:

با توجه به اینکه مدارهای ترکیبی فقط از گیت­‌های منطقی تشکیل شده‌­اند، به آن­‌ها مدارهای تصمیم­‌گیری نیز گفته می‌شود و منطق ترکیبی، ترکیب گیت‌­های منطقی با یک‌دیگر به منظور پردازش دو یا چند سیگنال جهت تولید حداقل یک سیگنال خروجی مطابق با تابع منطقی هر گیت است. مدارات منطقی ترکیبی رایج که از گیت­‌های منطقی ساخته شده‌­اند و هر کدام کاربردهای مختلفی دارند، عبارتند از: مالتی پلکسر (multiplexer)، دی مالتی پلکسر (demultiplexer)، دیکودر (decoder)، انکودر (encoder)، جمع‌­کننده کامل (full adder)، نیمه جمع­‌کننده (half adder) و … .

طبقه‌بندی منطق ترکیبی

یکی از رایج‌­ترین کاربردهای منطق ترکیبی، مدارات مالتی پلکسرها و دی مالتی پلکسرها هستند که در آن‌­ها چندین ورودی یا خروجی به یک خط سیگنال مشترک متصل می‌شوند و گیت‌های منطقی برای رمزگشایی یک آدرس استفاده می­‌شوند تا فقط یک داده ورودی یا یک سوئیچ خروجی انتخاب شود.

یک مالتی پلکسر از دو قسمت مجزا تشکیل شده است: یک دیکودر منطقی و تعدادی سوئیچ حالت جامد (Solid State). قبل از اینکه جزئیات بیشتری در مورد مالتی پلکسرها، دیکودرها و دی مالتی پلکسرها بیان کنیم، لازم است در مورد کاربرد سوئیچ­‌های حالت جامد در طراحی مدارات ترکیبی صحبت کنیم.

سوئیچ­‌های حالت جامد

قطعات TTL استاندارد که از ترانزیستور ساخته شده‌­اند، می‌­توانند جریان سیگنال را تنها در یک جهت عبور دهند. به این قطعات، دستگاه‌های یک جهته (uni-directional) نیز گفته می‌شود که در سوئیچ‌های الکترومکانیکی معمولی یا رله‌ها یافت می­‌شوند. با این حال، برخی از قطعات سوئیچینگ CMOS از FET ساخته شده‌­اند که در دسته سوئیچ‌­های دو جهته (bi-directional) قرار می­‌گیرند و برای استفاده به عنوان سوئیچ‌­های حالت جامد مناسب‌­اند.

سوئیچ­‌های حالت جامد انواع مختلفی دارند که برای کاربردهای مختلف استفاده می­‌شوند. با توجه به کاربردهای مختلف سوئیچینگ، این سوئیچ‌­ها را  می­‌توان به 3 گروه اصلی تقسیم کرد و در بخش منطق ترکیبی فقط سوئیچ نوع آنالوگ را بررسی خواهیم کرد اما اساس عملکرد همه سوئیچ‌­ها، از جمله سوئیچ دیجیتال، مشابه هم است.

کاربردهای سوئیچ‌­های حالت جامد

• سوئیچ­‌های آنالوگ – این نوع سوئیچ در سوئیچینگ داده‌­ها و ارتباطات، سیگنال­‌های صوتی و تصویری، ابزار دقیق و مدارهای کنترل و … به کار می­‌رود.

• سوئیچ­‌های دیجیتال – کاربرد این نوع سوئیچ‌­ها در انتقال داده پر سرعت، سوئیچینگ و مسیریابی سیگنال، اترنت (Ethernet)، ارتباط USB و سریال، ارتباطات شبکه (LAN) و … می‌باشد.   

• سوئیچ‌های قدرت – این سوئیچ­‌ها در منابع تغذیه، سوئیچینگ ولتاژ و جریان‌های بالا و … به کار می­‌روند.

سوئیچ‌های آنالوگ دو طرفه

سوئیچ­‌های آنالوگ نوعی از سوئیچ­‌ها هستند که برای سوئیچ داده­‌ها یا جریان‌­های سیگنال هنگامی‌­که در وضعیت ON قرار دارند یا مسدود کردن آن­‌ها هنگامی‌که در وضعیت OFF قرار دارند، استفاده می­‌شود. کنترل سوئیچینگ سریع بین وضعیت­‌های ON و OFF، با اعمال یک سیگنال دیجیتال به گیتِ کنترلِ سوئیچ انجام می­‌شود. یک سوئیچ آنالوگ ایده‌آل، در وضعیت ON دارای مقاومت صفر و در وضعیت OFF دارای مقاومت بی‌نهایت است. سوییچ‌­هایی که مقدار R_ON آن­‌ها کمتر از 1 اهم است، معمولاً قابل دسترس هستند.

سوئیچ آنالوگ حالت جامد

با اتصال موازی یک ماسفت N-channel و یک ماسفت P-channel می‌­توان این امکان را ایجاد کرد که سیگنال‌ها از هر دو جهت عبور کنند و در واقع یک سوئیچ دو طرفه ایجاد کرد. مقدار سیگنال عبوری از هر یک از ماسفت­‌های N-channel یا P-channel به نسبت ولتاژ ورودی به ولتاژ خروجی بستگی دارد. ماسفت­‌ها با استفاده از دو تقویت‌­کننده‌­ی داخلی معکوس‌کننده و غیر معکوس‌­کننده، بین دو وضعیت ON و OFF سوئیچ می‌­کنند.

انواع کنتاکت

سوئیچ­‌های آنالوگ مانند سوئیچ­‌های مکانیکی در انواع مختلف تک پلاتینه، دو پلاتینه و… وجود دارند. بنابراین عبارت‌های SPST (تک پل تک پلاتینه) و SPDT (تک پل دو پلاتینه) برای سوئیچ­‌های آنالوگ حالت جامد با ساختارهای « make-before-break» و « break-before-make» موجود نیز به کار می­‌روند.

انواع سوئیچ­‌های آنالوگ

با قرار دادن سوئیچ­‌های آنالوگ در پکیج­‌های استاندارد آی سی، می­‌توان قطعاتی با چندین ساختار SPST و SPDT و نیز مالتی پلکسرهای چند کاناله ایجاد کرد.

از رایج‌ترین و ساده‌ترین سوئیچ‌­های­ آنالوگ در پکیج آی سی می­‌توان به 74HC4066  اشاره کرد که از چهار سوئیچ «OFF/ON» دو طرفه مجزا تشکیل شده است. اما پرکاربردترین سوئیچ‌های آنالوگ CMOS آن دسته از سوئیچ­ها هستند که تحت عنوان سوئیچ­‌های دو طرفه چند مسیره (Multi-way Bilateral Switches) شناخته می‌شوند و همان آی سی‌­های مالتی پلکسر و دی مالتی پلکسر هستند.

خلاصه منطق ترکیبی

به طور خلاصه مدارهای منطقی ترکیبی متشکل از ورودی­‌ها، دو یا چند گیت­ منطقی پایه و خروجی­‌ها هستند. ترکیب گیت‌­های منطقی به گونه‌­ای است که وضعیت خروجی کاملاً وابسته به وضعیت ورودی می‌­باشد. مدارهای ترکیبی مداراتی بدون حافظه، زمان‌بندی یا حلقه­‌های فیدبک هستند و عمکلرد آن‌ها آنی است. یک مدار منطقی ترکیبی، عملیاتی را انجام می­‌دهد که به‌طور منطقی توسط یک عبارت بولی یا جدول صحت تعیین شده است.

نمونه­‌های معروف این مدارات عبارتند از: نیمه جمع­‌کننده‌­ها، جمع­‌کننده‌­های کامل، مالتی پلکسرها، دی مالتی پلکسرها، انکودرها و دیکودرها که در آموزش­‌های بعدی به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.

اگر سوالی داشتید حتما برای ما بنویسید. در ضمن ما را از پیشنهادات خود محروم نسازید.