Karakteristik Logika TTL dan CMOS

Karakteristik Logika TTL dan CMOS

1. Parameter Arus dan Tegangan

Famili logik dapat dibagi menjadi dua katagori berdasar pada proses pembuatannya yaitu TTL merupakan rangkaian gerbang logika yang dibangun dari Transistor-Transistor yang memerlukan tegangan kerja 5 Volt yang diregulasi 5% (+/-250mV), dengan demikian variasi tegangan berkisar anatara 4,75 Volt sampai 5,25 Volt, dan MOS merupakan rangkaian gerbang logika yang dibangun dari Metal Oxide Semiconductor atau bekerja atas dasar transistor efek medan (MOSFET).

Berikut merupakan parameter arus dan tegangan yang biasanya digunakan untuk menentukan karakteristik keluarga logik:

 V_IH(V_in(1)) high level input voltage yaitu level tegangan yang dibutuhkan untuk mewakili logika 1 pada input, dan semua tegangan yang berada dibawah level ini tidak akan diterima sebagai logika 1 (high).

• V_IL(V_in(0)) low level input voltage yaitu dibutuhkan untuk mewakili logika 0 pada input, dan semua tegangan yang berada diatas level ini tidak akan diterima sebagai logika 0 (low).

• V_OH(V_out(1)) high level output voltage yaitu level tegangan yang dibutuhkan untuk mewakili logika 1 pada output, dan semua tegangan yang berada dibawah level ini tidak akan diterima sebagai logika 1 (high).

• V_OL(V_out(0)) low level output voltage yaitu dibutuhkan untuk mewakili logika 0 pada output, dan semua tegangan yang berada diatas level ini tidak akan diterima sebagai logika 0 (low).

• I_IH(I_in(1)) high level input current yaitu arus yang masuk ke input bilamana pada input diberikan tegangan untuk mewakili logika 1 (high).

• I_IL(I_in(0)) low level input current yaitu arus yang masuk ke input bilamana pada input diberikan tegangan untuk mewakili logika 0 (low).

• I_OH(I_out(1)) high level output current yaitu arus yang keluar dari output bilamana pada input diberikan tegangan untuk mewakili logika 1 (high).

• I_OL(I_out(0)) low level output current yaitu arus yang keluar dari output bilamana pada input diberikan tegangan untuk mewakili logika 0 (low).

Beirkut merupakan contoh tegangan operasional dari TTL. Tegangan sumber yang diijinkan	7V (8V untuk seri 74LXX)
Daerah batas tegangan operasi	4.75 sampai 525V
Tegangan input maksimum	5.5V
Tegangan maksimum untuk Kolektor terbuka	7V (8V for 74LXX series)

Sedangkan untuk CMOS merupakan keluarga logic yang mengkonsumsi tenaga listrik sangat rendah disbanding TTL, dan bekerja pada tegangan 2 Volt sampai 15 Volt serta mempunyai toleransi cukup terhadap regulasi tegangan dan ripple. Penampilan kerja bagus berkaitan dengan kecepatan dan resiko kecil terhadap noise biasanya digunakan tegangan kerja anatara 9 sampai dengan 12 Volt. Agar dapat bekerja bersama dengan TTL (seri 74) tegangan kerja biasanya diambil 5 Volt +10% (4,5 Volt sampai 5,5 Volt).

2. Faktor pembebanan, Waktu Transisi dan Tunda Propagasi

a. Faktu Pembebanan (Fanout)

Pada umumnya keluaran rangkaian logika diumpankan pada beberapa input logika, seberapa banyak kemampuan sebuah output untuk mengendalikan input logika yang disambungkan kepadanya disebut dengan istilah faktor pembebanan (fanout). Sebagai contoh sebuah gerbang logika disepesifikasikan mampu mengendalikan 10 saluran input gerbang logika, maka faktor pembebanan dari gerbang tersebut adalah 10 (fanout=10).

b. Waktu Transisi (Transition Times)

Waktu transisi (transition times) adalah waktu perubahan dari logika 0 ke logika 1 atau sebaliknya dari logika 1 ke logika 0, untuk itu beberapa rangkaian digital memberikan respon pada level logika yang ada pada input, akan tetapi beberapa yang lain memberikan respon pada saat terjadi perubahan dalam tegangan.

Semua IC logika memiliki parasitik kapasitansi yang disebabkan adanya junction dioda, MOS transistor dan adanya interkoneksi aluminium dan polisilikon pada subtrat IC. Hal ini memberikan pengaruh yang sama seperti halnya pada pengisian dan pengosongan kapasitansi normal.

Penundaan waktu tersebut di dalam teknik digital disebut dengan tunda propagasi (propagation delay), dalam data sheet setiap IC digital biasanya dilengkapi dengan data ini. Pada gambar 4 menggambarkan tunda propagasi dari famili 74HCT dimana waktu peralihan pada output dari High ke Low adalah T_PHL yaitu waktu yang dibutuhkan ketika input berubah dari Low ke High dan menyebabkan output berubah dari High ke Low. Dan terjadi hal yang sama dibutuhkan waktu T_PLH saat perubahan input dari High ke Low dan menyebabkan output berubah dari Low ke High.

Gambar 4. Tunda propagasi pada gerbang NOT

Contoh berikut memberikan ilustrasi komulasi tunda propagasi dari rangkaian 2 gerbang NOT (74HCT04) dan sebuah gerbang NOT (74HCT14), jika masing masing gerbang membutuhkan (tpHL + tpLH) 8ns untuk 74HCT04 dan 17 ns untuk 74HCT14, maka tunda propagasi untuk seluruh rangkaian adalah 8 ns + 8 ns + 17 ns = 32 ns

Gambar 5. Komulasi tunda propagasi

3. Disipasi Daya untuk TTL dan CMOS

semua rangkaian selalu memperhitungkan paket yang sekecil-kecilnya, kecepatan tinggi, portable dan penggunaan listrik, yang paling diperhitungkan adalah:

• Penggunaan tenaga listrik sekecil mungkin.

• Kecepatan tinggi dengan propagasi yang sekecil-kecilnya

Tabel berikut menunjukan disipasi tenaga listrik yang dikonsumsi oleh TTL dan CMOS:

4. Noise Pada Input TTL dan CMOS

Pengaruh frekuensi atau signal dari luar selalu ada dan ini bila tidak diantisipasi akan mengacaukan signal pada sistem rangkaian, berikut merupakan contoh pengaruh yang didapat dari gangguan induksi dari sebuah motor. Pada gambar terlihat bahwa bentuk pulsa

keluar dari gerbang pertama masih bersih dan ditengah terinduksi dengan gangguan yang datangnya dari motor listrik, sehingga saat masuk ke gerbang kedua pulsa tersebut sudah berubah.

5. Schmitt Trigger

Dalam praktik disamping noise pada sinyal yang sering terjadi juga jarang ditemui logik 1 bertegangan 5 volt atau logik 0 bertegangan 0 volt, hal ini disebabkan adanya perubahan logika yang sangat cepat, terutama pada rangkaian sistem mikroprosessor atau komputer. Berikut memberikan gambaran besar tegangan input pada gerbang logika yaitu untuk logika 0 berkisar antara 0 volt sampai dengan 0,8 volt dan logika 1 berkisar antara 2,0 volt sampai 5 volt, pertanyaan yang muncul adalah bagaimana kondisi logika antara 0,8 volt sampai 2 volt?.

5. Perilaku Arus Pada Rangkaian Logika

Keluarga logika dapat dikatagorikan berdasar bagaimana arus mengalir dari ouput suatu gerbang logika ke input gerbang logika yang lain, gambar 13a memberikan ilustrasi arus listrik mengalir dari positip battery melalui kolektor-emitor dan ke ground. Aliran arus ini disebut dengan sebutan sinking current, dan gambar 13b aliran arus diawali dari positip battery melalui input gerbang berikutnya menuju ke ground, aliran ini disebut dengan sourcing current.

Keluarga Logika TTL dan CMOS

1. Level Logika

Hanya terdapat dua logika dalam teknik digital yaitu dua keadaan 5 Volt atau 0 Volt, High atau Low, True atau False. Pada kondisi Low tegangan pada output TTL (VOLmax) kira-kira 0,4 Volt atau 0,5 untuk 74 LS dan pada kondisi High (VOHmax) diatas 2,4 Volt dan 2,7 Volt untuk 74 LS bahkan biasanya 3,4 Volt. Sedangkan untuk input 0,8 Volt atau kurang untuk VILmax dan diatas 2 Volt sebagai kondisi High.

Berikut merupakan gambar level logika untuk TTL dan LSTTL: 
a.      Level tegangan logika untuk LSTTL
b. Level tegangan logika untuk TTL

2. Operasi Rangkaian Logika TTL

a. TTL dengan multi input emitor

a. Rangkaian dasar TTL gerbang NAND

Dari sistem operasi rangkaian TTL diatas terlihat bahwa komponen aktif transistor adalah memegang peranan dalam menentukan kondisi output, untuk input diterapkan sistem multi emitor (input bisa lebih dari 2) dimana bila salah satu input terhubung dengan ground maka arus akan melaluinya dan ini ekivalen dengan dipasangkannya sebuah dioda

b.      Standar karakteristik TTL

Texas instruments sejak tahun 1964 memperkenalkan produk TTL dengan seri 5400/7400 yang saat ini lebih dikenal dengan keluarga IC logik, dimana perbedaan kedua seri nomor adalah 5400 diperuntukan bagi militer dan seri 7400 untuk komersial.

Untuk memenuhi berbagai kebutuhan bagi pemakai, maka dibuat TTL diluar seri 7400 yang meliputi:

 Seri 74L00 (Low power), secara umum dasar rangkaian sama dan perbedaannya terletak pada penggunaan resistor di dalam IC diperbesar sehingga menurunkan disipasi daya pada IC,

 Seri 74H00 (High speed), secara umum dasar rangkaian sama dan perbedaannya digunakan resistor kecil dan emittor follower transistor serta diterapkannya sistem darlington pada output. Tunda propagasi 6 ns,

 Seri 74S00 (Schottky), merupakan IC yang dibuat untuk melayani kecepatan tinggi untuk TTL yaitu dengan menerapkan schottky barrier diode (SBD) disambungkan antara basis dan kolektor dari rangkaian transistor.

c. Pembebanan pada TTL

Dalam pembebanan sistem digital harus diperhatikan bagaimana menentukan dan menggunakan faktor pembebanan (fanout) atau kemampuan mengendalikan suatu rangkaian.

e. Output Kolektor terbuka

Beberapa decoder seperti TTL 7445 memiliki output kolektor terbuka (Open-Collector-Output), untuk tipe ini setiap saluran outputnya pada kondisi normal adalah Off yaitu antara ground dan output memiliki resistansi yang tinggi, resistansi tersebut akan berubah rendah artinya ON bilamana ada signal input dari dekoder.

f. Operasi rangkaian Tristate

Dalam rangkain digital yang lebih komplek, misalnya untuk komputer, video, kamera dan peralatan elektronika lainnya banyak dijumpai system yang dikenal dengan system data bus. Sistem tersebut memiliki trafik signal begitu rumitnya dan antara satu signal dengan signal lainya tidak boleh saling tabrakan yang menyebabkan rangkaian tidak bekerja sebagaimana mestinya, untuk itu diperlukan rangkaian pengendali signal yang sering disebut dengan Trisatate.