Rahasia Dibalik Gerbang Digital

25 04 2008

Pada awalnya beberapa diantara kita bisa cukup terheran-heran, mengapa beberapa piranti digital seperti komputer, kamera, handphone, laptop bisa bekerja dengan mengagumkan hanya dengan memanipulasi beberapa deret angka 1 dan 0 : isyarat digital. Hanya melalui kominbasi 2 angka tersebut bisa tercipta jutaan ekspresi perintah-perintah pada piranti tersebut. Semua ini tentu saja karena jasa besar komponen-komponen penyusunnya yakni gerbang-gerbang digital.

Pertanyaan lebih lanjut, bagaimanakah gerbang-gerbang digital itu bekerja, sehingga bisa membentu untaian ekspresi digital yang sedemikian rupa? Bagaimanakah operasi dasar pada sistem digital (operasi Boolean) yakni AND, OR, NOT, NAND, NOR, bahkan XOR bisa diimplementasikan oleh sebuah rangkaian eklektronis? Bagaimana pula IC yang berisi gerbang NAND selalu paling murah dibandingkan AND?

Ada sedikit penjelasan mengenai pertanyaan di atas. Gerbang-gerbang digital yang dibentuk untuk mengerjakan operasi Boolen tertentu memanfaatkan prinsip kerja pada bahan semikonduktor. Beberapa teknologi yang umum diantaranya adalah Keluarga Bipolar dan Keluarga MOSFET.

 Keluarga Bipolar

Seperti namanya, teknologi ini memanfaatkan transistor biasa (BJT : Bipolar Junction Transistor) sebagai komponen utamanya. Transistor BJT dapat berfungsi sebagai saklar dengan input pengendali berupa arus pada kaki Basisnya.

  

Logika Inverter

Sebagai operasi paling dasar adalah logika Inverter. Operasi ini dibentuk melalui sebuah skematik berikut,

Inverter dengan BJT

Ketika ada arus input pada kaki Basis (dalam hal ini isyarat 1) maka Transistor akan ON dan arus mengalir dari Kolektor ke Emitor, sehingga output F akan bernilai 0. Sebaliknya jika tidak ada arus input pada kaki Basis maka Transistor akan OFF. Tidak akan ada arus mengalir menuju ke Emitor, sehingga arus akan dialirkan ke output. Output bernilai 1.

  

Logika Dioda

Logika dasar lainnya adalah logika AND yang direpresentasikan oleh pasangan beberapa Dioda. Skematik ini nantinya berfungsi dalam rangkaian logika yang lebih lengkap.

NAND dengan logika Dioda

Ketika salah satu dari input bernilai 0, maka tegangan di x (Vx) bernilai 0,7 volt, seharga tegangan panjar maju untuk dioda silikon. Dioda A dan B akan ON sementara DL akan OFF. Sehingga output 0. Sebaliknya jika kedua input bernilai 1, maka dioda A dan B akan OFF, dan DL akan ON, output bernilai 1.

 

Logika RTL (Resistor Transistor Logic)

Rangkaian ini merupakan rangkaian pertama dari Keluarga Bipolar, mempekerjakan resistor dan transistor sebagai komponen penyusunnya.

NAND dengan Logika RTL

Konstruksi di atas adalah untuk logika NAND. Ketika salah satu input bernilai 0, maka salah satu transistor akan OFF. Meskipun transistor yang lain ON, arus tetap tidak akan mengalir dari Vcc ke ground karena transistor yang lain OFF. Arus akan mengalir menuju output, output bernilai 1.

Sebaliknya jika kedua input bernilai 1, maka kedua transistor akan ON. Kondisi ini memungkinkan mengalirnya arus dari Vcc ke ground. Output bernilai 0.

Sebagai awal, penjelasan sederhana ini sudah bisa menjawab pertanyaan, bagaimana IC berisi gerbang NAND selalu lebih murah disbanding IC berisi gerbang AND. Karena memang sungguh ironis, rangkaian gerbang AND justru dibuat dari logika NAND dengan sebuah inverter.

 

Logika DTL (Dioda Transistor Logic)

Rangkaian ini merupakan gabungan dari logika Inverter dan Dioda, untuk menghasilkan arus output yang lebih kuat.

NAND dengan Logika DTL

Skema di atas juga untuk logikan NAND. Ketika salah satu input bernilai 0, maka akan ada dioda yang ON di bagian input, sementara kedua dioda di tengah akan OFF. Hal ini menyebabkan transistor menjadi OFF sehingga arus mengalir dari Vcc ke output, output bernilai 1.

Sebaliknya jika kedua input bernilai 1, maka kedua dioda input akan OFF sementara kedua dioda di tengah akan ON. Hal ini menjadikan transistor ON dan arus mengalir dari Vcc ke ground. Output bernilai 0.

 

Logika TTL (Transistor Transistor Logic)

Rangkaian ini merupakan pengembangan dari logika DTL, dengan transistor multiple emitter ekivalen dengan logika diode. Logika ini yang paling banyak dipakai dalam keluarga Bipolar.

NAND dengan Logika TTL

Sekali lagi, skema paling dasar di atas juga untuk logika NAND. Ketika salah satu input bernilai 0, maka transistor Q1 akan OFF, demikian pula Dioda D1 dan transistor Q0. Vout akan sama dengan Vcc, output bernilai 1. Sebaliknya ketika seluruh input bernilai 1, maka D1 akan ON demikian pula dengan transistor Q0. Arus akan mengalir dari Vcc ke ground, output bernilai 0.

Pada beberapa rangkaian, terkadang dioda D1 digantikan dengan sebuah transistor.

 

Keluarga MOSFET

Teknologi kedua adalah dengan menggunakan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) sebagai komponen penyusunnya. Teknologi ini banyak dipakai dalam pembuatan chip yang lebih kompleks seperti mikroprosessor, karena dalam penyusunannya komponen MOSFET lebih sederhana dan tidak makan tempat. Sehingga teknologi ini memungkinkan terbentuknya IC dengan kemasan VLSI (Very Large Scale IC) yang mampu menampung lebih dari 10000 gerbang.

Transistor MOSFET (selanjutnya disebut transistor MOS) terdiri atas 3 kaki yakni Drain, Gate dan Source. Transistor ini dapat berperan sebagai saklar terkendali tegangan. Berbeda dengan BJT yang merupakan saklar terkendali arus.

Mosfet

Terdapat 2 macam transistor MOS, yaitu transistor MOS kanal negatif (nMOS) dan transistor MOS kanal positif (pMOS). Pada nMOS transistor, ketika kaki Gate diberi tegangan maju (high) maka transistor akan OFF, sebaliknya ketika kaki Gate diberi tegangan 0 (low) maka transistor akan aktif. Pada pMOS transistor berlaku sebaliknya.

 

Logika Inverter

Sebagai logika paling dasar adalah logika inverter. Skemanya adalah sebagai berikut,

 Inverter dengan Mosfet

Rangkaian ini memanfaatkan pasangan nMOS dan pMOS. Ketika input bernilai 0, maka nMOS akan ON dan pMOS akan OFF. Sehingga tegangan output sama dengan Vdd. Output bernilai 1. Sebaliknya ketika input bernilai 1, maka nMOS akan OFF dan pMOS akan ON. Tegangan output sama dengan ground. Output bernilai 0.

 

Logika NAND dan NOR

Penjelasannya melalui gambar berikut,

Teknologi NAND dan NOR dengan MOSFET 

Pada logika NAND, ketika salah satu input bernilai 0, maka salah satu nMOS akan ON dan salah satu pMOS akan OFF. Ini menjadikan tegangan output sama dengan Vdd. Output bernilai 1. Sementara ketika kedua input bernilai 1, maka kedua nMOS akan OFF dan kedua pMOS akan ON. Sehingga tegangan output menjadi sama dengan ground, Output bernilai 0.

Sementara pada logika NOR, ketika salah satu input bernilai 1, maka salah satu nMOS akan OFF dan salah satu pMOS akan ON. Tegangan output sama dengan ground, output bernilai 0. Sebaliknya ketika kedua input bernilai 0, maka kedua nMOS akan ON dan kedua pMOS akan OFF. Sehingga tegangan output sama dengan Vdd, output bernilai 1.

Penjelasan ini menjadikan masuk akal kenapa baik pada keluarga bipolar maupun keluarga MOSFET gerbang NAND dan NOR selalu lebih murah dan lebih sederhana dibandingkan dengan gerbang AND atau OR. Pada level hardware, pembuatan gerbang AND justru membutuhkan gerbang NAND dan gerbang NOT. Sementara pada level logic justru gerbang NAND yang dibuat dari gerbang AND dan NOT.


Actions

Information

6 responses

22 01 2009
setyo

terima kasih bos, kebetulan aku sekarang lagi penasaran yang namanya IC. dan itu sudah merambah ke produk sepele semacam mainan anak-anak. pertanyaanku adalah kalo dalam mempelajari segala macam hal tentang elektronika, kira-kira yang dibahas ilmunya apa aja ya?

26 03 2010
syaifulo

mas tolong kirimin skema tentang pemancar fm beserta kode transistor yang murah tapi keluarnya lumayan jauh please ya kang

8 07 2010
rahmad

bagus mas
ane baru tau

klo gerbang or kayak gmn skematiknya😀

5 08 2010
ACHMAD SAIFUL

MOHON DI CARIIN TENTANG FLIP FLOP

10 09 2013
Joko

Wah bagus nih infonya. Saya memang sedang mencari informasi seperti ini. Terima kasih banyak ya atas artikelnya. Selalu posting ya…Sekali lagi terima kasih atas ilmunya

9 04 2016
bradshawriggs86971

Yessir, that chair has seen more cities than a touring bus. I’m not sure where Daniel originally got this thing (Goodwill?), but we’ve dragged it thr Click http://s.intmainreturn0.com/oopf09160

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s




%d bloggers like this: