مدارهای منطقی ترکیبی

مدارهای منطقی ترکیبی، مدارهای منطقی دیجیتال بدون حافظه‌ای می‌باشند؛ که خروجی آن‌ها در هرلحظه، فقط به ترکیب ورودی‌های آن، بستگی دارد.

برخلاف مدارهای منطقی متوالی، که خروجی‌های آن‌ها وابسته به ورودی‌های فعلی و حالت خروجی قبلی آن‌ها دارد و به آن‌ها نوعی حافظه می‌دهد؛ خروجی‌های مدارهای منطقی ترکیبی، فقط با عملکرد وضعیت منطقی ورودی های فعلی آن‌ها، منطق “۰” یا منطق “۱” درهر لحظه‌ی معین در زمان، تعیین می‌شود.

نتیجه این است که مدارهای منطقی ترکیبی، فیدبک ندارند و هرگونه تغییر در سیگنال‌هایی که روی ورودی‌های آن‌ها اعمال می‌شود؛ بالافاصله بر خروجی تاثیر می‌گذارد. به‌عبارت دیگر، در یک مدار منطقی ترکیبی، خروجی در هر زمان، به‌ترکیب ورودی‌های آن وابسته است. بنابراین، یک مدار ترکیبی، بدون حافظه است.

بنابراین، اگر یکی از شرایط ورودی‌های آن از ۰-۱ یا ۱-۰ تغییر حالت دهد؛ نتیجه‌ی حاصله، به‌عنوان پیش‌فرض مدارهای منطقی ترکیبی، “بدون‌حافظه”، “زمان‌بندی” یا “حلقه‌ی فیدبک” در طراحی خود، خواهدبود.

منطق ترکیبی

مدارهای منطقی ترکیبی، از گیت‌های پایه‌ای منطقی NAND،NOR وNOT ساخته‌شده‌اند؛ که باهم “ترکیب‌شده” یا متصل‌شده‌اند تا مدارهای سوئیچینگ پیچیده‌تری را تولید کنند. این گیت‌های منطقی، بلوک‌های سازنده‌ی مدارهای منطقی ترکیبی، می‌باشند. یک مثال از مدار ترکیبی، دیکدر است؛ که داده‌های کد باینری موجود در ورودی خود را، به تعدادی خط‌های خروجی متفاوت، تبدیل می‌کند و هریک در زمان، یک کد ده دهی معادل را در خروجی خود، تولید می‌کند.

مدارهای منطقی ترکیبی، می‌توانند بسیار ساده یا بسیار پیچیده باشند و هرمدار ترکیبی، می‌تواند با فقط گیت‌های NAND یا NOR، به‌دلیل “عمومی‌بودن” این گیت‌ها، ساخته‌شود.

سه‌ روش اصلی برای تعیین عملکرد یک مدار منطقی ترکیبی، عبارتند از:

1. جبر بولین – این عبارت، جبری را نشان می‌دهد؛ که عملکرد مدار منطقی را برای هر متغیر ورودی True (صحیح) یا False (غلط) نشان می‌دهد؛ که منجر به خروجی منطقی “1” می‌شود.
2. جدول درستی – یک جدول درستی، تابع یک گیت منطقی را تعریف می‌کند؛ که با ارائه‌ی لیست مختصری که تمام حالت‌های خروجی را به‌شکل جدول، برای هر ترکیب احتمالی متغیر ورودی که گیت می‌تواند با آن مواجه شود؛ نشان می‌دهد.
3. نمودار منطقی – یک نمایش گرافیکی از یک مدار منطقی است؛ که سیم‌کشی و اتصالات هر گیت منطقی جداگانه را نشان می‌دهد و توسط یک نماد گرافیکی خاص نشان داده می‌شود؛ که مدارمنطقی را پیاده‌سازی می‌کند.

و هر سه این نمایش‌های مدار منطقی، در زیر نشان داده ‌شده‌است.

از آن‌جایی‌که، مدارهای منطقی ترکیبی، فقط از گیت‌های منطقی منحصربفرد، تشکیل شده‌اند؛ می‌توان آن‌ها را “مدارهای تصمیم‌گیری” درنظر گرفت. منطق ترکیبی، از ترکیب گیت‌های منطقی با یک‌دیگر، برای پردازش دو یا چند سیگنال، به‌منظور تولید حداقل یک سیگنال خروجی مطابق با عملکرد منطقی هر گیت منطقی، تشکیل می‌شود. مدارهای منطقی ترکیبی معمول، از گیت‌های منطقی منحصربفرد ساخته شده‌اند؛ که شامل عملکردهای دلخواهی مانند مالتی‌پلکسرها، دی‌مالتی‌پلکسرها، انکدرها، دیکدرها، نیم‌جمع‌کننده‌ها و جمع‌کننده‌های کامل، و … می‌شود.

طبقه‌ بندی منطق ترکیبی

یکی از رایج‌ترین کاربردهای منطق ترکیبی، مدارهای نوع مالتی‌پلکسرها و دی‌مالتی‌پلکسرها است. دراینجا، چندین ورودی یا خروجی، به یک خط سیگنال مشترک، متصل می‌شوند و از گیت‌های منطقی، برای دیکد کردن (رمزگشایی) یک آدرس برای انتخاب یک سوئیچ ورودی یا خروجی داده، استفاده می‌شود.

یک مالتی‌پلکسر از دو جز جداگانه، یک دیکدر منطقی و تعدادی سوئیچ‌های حالت جامد (solid state) تشکیل شده‌است. اما پیش از این‌که، بتوانیم درباره‌ی مالتی‌پلکسرها، دیکدرها و دی‌مالتی‌پلکسرها، با جزئیات بیشتر بحث کنیم؛ ابتدا باید درک کنیم که چگونه این دستگاه‌ها از این “سوئیچ‌های حالت جامد” در طراحی خود استفاده می‌کنند.

سوئیچ‌ های حالت جامد

دستگاه‌های منطقی استاندارد TTL ساخته‌شده از ترانزیستورها، فقط می‌توانند جریان‌های سیگنال را در یک جهت، منتقل کرده و آن‌ها را به دستگاه‌های “تک‌جهته”، تبدیل کنند و تقلید ضعیف از سوئیچ‌های معمولی الکترومکانیکی یا رله‌ها را انجام دهند. با این‌حال، برخی از دستگاه‌های سوئیچینگ CMOS، که از FET، استفاده می‌کنند؛ به‌عنوان سوئیچ‌های “دوطرفه” تقریبا کامل بوده؛ که آن‌ها را برای استفاده به‌عنوان سوئیچ‌های حالت جامد، ایده‌آل می‌کند.

سوئیچ‌های حالت جامد، دارای انواع مختلف و رتبه‌بندی‌های گوناگون بوده و کاربردهای مختلفی برای استفاده از سوئیچ‌های حالت جامد، وجود دارد. آن‌ها، اساسا می‌توانند به سه گروه اصلی مختلف، برای کاربردهای سوئیچینگ تقسیم شوند و در این بخش منطق ترکیبی، ما تنها به نوع سوئیچ آنالوگ نگاهی خواهیم داشت؛ اما اصل برای همه‌ی انواع، ازجمله نوع دیجیتال، یکسان است.

کاربرد سوئیچ‌ های حالت جامد

• سوئیچ‌های آنالوگ – در سوئیچینگ داده و مخابرات، سوئیچینگ سیگنال‌های تصویری و صوتی، ابزار دقیق، مدارهای کنترل فرآیند و … استفاده می‌شوند.
• سوئیچ‌های دیجیتال – انتقال داده با سرعت بالا، سوئیچینگ و مسیریابی سیگنال، اترنت، LAN،USB و انتقال‌های سریال و …
• سوئیچ‌های توان – منابع تغذیه و کاربردهای سوئچینگ عمومی “توان آماده به‌کار (Standby)”، سوئیچینگ ولتاژها و جریان‌های بزرگتر و …

سوئیچ‌ های آنالوگ دوطرفه

سوئیچ‌های “آنالوگ”، آن دسته‌ای می‌باشند؛ که برای سوئیچینگ داده یا جریان‌های سیگنال درحالت “ON” و برای مسدودکردن آن‌ها، درحالت “OFF” استفاده می‌شوند. سوئچینگ سریع بین حالت “ON” و “OFF”، معمولا توسط یک سیگنال دیجیتال اعمال‌شده به گیت کنترلی سوئیچ، کنترل می‌شود. یک سوئیچ آنالوگ ایده‌آل، دارای مقدار اهمی صفر درحالت “ON”(یا بسته) و مقدار اهمی بی‌نهایت، درحالت “OFF”(یا باز) است. سوئیچ‌هایی با مقادیر  کمتر از 1Ω معمولا در دسترس می‌باشند.

سوئیچ آنالوگ حالت جامد

اتصال کانال N ماسفت به‌صورت موازی به کانال P ماسفت، سبب می‌شود؛ تا سیگنال‌ها در هرجهتی بگذرند که سبب ایجاد یک سوئیچ “دو طرفه” می‌شود و اینکه کدام یک از کانال‌های، N یا P دستگاه، جریان سیگنال بیشتری را حمل کنند؛ به نسبت ورودی به خروجی ولتاژ، وابسته است. دو ماسفت، توسط دو تقویت‌کننده‌ی داخلی معکوس‌کننده و غیرمعکوس‌کننده، بین حالت “ON”و “OFF”، سوئیچ می‌کنند.

انواع تماس ها

درست همانند سوئیچ‌های مکانیکی، سوئیچ‌های آنالوگ نیز بسته به تعداد “قطب‌ها” و “پرتابه‌ها”یی که ارائه می‌دهند؛ انواع مختلفی دارند. بنابراین، اصطلاحاتی مانند SPST (تک قطب تک پرتابه) و SPDT (تک قطب دو پرتابه) به سوئیچ‌های آنالوگ حالت جامد با پیکربندی‌های موجود “ساخت قبل از شکستن (make-before-break)” و “شکستن قبل از ساخت (break-before-make)”، اعمال می‌شود.

انواع سوئیچ آنالوگ

سوئیچ‌های آنالوگ منحصربفرد را می‌توان در پکیج‌های IC دسته‌بندی کرد؛ تا دستگاه‌هایی با پیکربندی‌های چند سوئیچینگ SPST (تک قطب تک پرتابه) و SPDT (تک قطب دو پرتابه)، هم‌چنین مالتی‌پلسکر‌های چندکاناله، ایجاد کرد.

رایج‌ترین و ساده‌ترین سوئیچ آنالوگ، در یک پکیج تک IC 74HC4066 است؛ که دارای چهار سوئیچ ON/OFF دوطرفه مستقل در یک پکیج ساده می‌باشد. اما از پراستفاده ترین انواع سوئیچ‌های آنالوگ CMOS، آن‌هایی می‌باشند؛ که به‌عنوان “سوئیچ‌های دوطرفه چند راهه” توصیف می‌شود و با نام‌های IC های “مالتی‌پلکسر” و “دی‌مالتی‌پلکسر” نیز شناخته می‌شوند. در آموزش بعدی درمورد آن‌ها بحث خواهیم‌کرد.

خلاصه‌ منطق ترکیبی

پس به‌صورت خلاصه، مدارهای منطقی ترکیبی، شامل ورودی‌ها، دو یا چند گیت‌ منطقی اساسی و خروجی‌ها است. گیت‌های منطقی، به‌گونه‌ای ترکیب شده‌اند؛ که حالت خروجی، کاملا وابسته به حالت‌های ورودی باشد. مدارهای منطقی ترکیبی، “بدون حافظه”، “زمان‌بندی” یا “حلقه‌های فیدبک” می‌باشند و در‌آنها، عمل، به‌صورت لحظه‌ای، انجام می‌شود. مدار منطقی ترکیبی، عملی را انجام می‌دهد؛ که به‌طور منطقی، توسط یک عبارت بولین یا جدول درستی، تعیین شده‌است.

نمونه‌های از مدارهای منطقی ترکیبی متداول عبارتند از: نیم‌جمع‌کننده‌ها، جمع‌کننده‌های کامل، مالتی‌پلکسرها، دی‌مالتی‌پلکسرها، انکدرها و دیکدرها، که به همه‌ی آن‌ها در چند آموزش بعد، نگاهی خواهیم داشت.