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電子回路論第13Electric Circuits for Physicists 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾 Shingo Katsumoto

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Page 1: 電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists...電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾

電子回路論第13回

Electric Circuits for Physicists

東京大学理学部・理学系研究科

物性研究所

勝本信吾

Shingo Katsumoto

Page 2: 電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists...電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾
Page 3: 電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists...電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾

Outline

7.2 Sequential digital circuit

7.3 Implementation of logic gates

7.4 Circuit implementation and simplification

of logic operation

7.5 DA/AD converter circuits

7.6 Digital filters (digital signal processing)

Page 4: 電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists...電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾

7.2.3 Sequential logic: Flip-Flop (FF)

RS (reset-set) Flip-Flop (FF)

Symbol

Truth table

Equivalent circuit with discrete gates

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7.2.3 Sequential logic: Flip-Flop (FF)

JK Flip-Flop

Symbol

Truth table

Equivalent circuit with discrete gates

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7.2.3 Sequential logic: D-FF, T-FF

D-FF

T-FF

Symbol

Symbol

Truth table

Truth table

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7.2.4 Sequential logic: Counters

Unsynchronized

counter

(ripple counter)

Timing

chart

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7.2.4 Sequential logic: Counters

Synchronized counter

Equivalent

circuit with

discrete gates

Timing chart

Page 9: 電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists...電子回路論第13回 Electric Circuits for Physicists 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾

Standard gate logic IC packaging

Full pitch Half pitch surface mount

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Mounting of logic ICs

Printed board with soldering Surface mounting

Wire wrapping

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7.3 Implementation of logic gates

TTL (transistor-transistor logic) CMOS (complimentary MOS)

NAND gates

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7.3 Implementation of logic gates

LT Spice

simulation

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7.3 Implementation of logic gates

Voltage levels diagram

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TTL logic family evolution

Legacy: don’t use

in new designs

Widely used today

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CMOS logic family evolution

obsolete

• Reduction of dynamic losses through

successively decreasing supply voltages:

12V 5V 3.3V 2.5V 1.8V

CD4000 LVC/ALVC/AVC

• Power reduction is one of the keys to

progressive growth of integration

General trend:

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Summary

TTL

Logic

Family

CMOS

TPD Trise/fall VIH,min VIL,max VOH,min VOL,max Noise

Margin

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7.4 Circuit implementation and simplification of logic operation

Truth table Simplification Circuit diagram

Visual method: Karnaugh mapping

Quine-McClusky algorithm

Ex)

principal disjunctive canonical expansion (主加法標準展開)

Product of all the logic variables: canonical expansion

Simplification

Or in binary: Y = 0011+1111+0111+1101+1100+1011

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Quein-McClusky algorithm

Classification

with the number

of 1

Num.of 1 smallest compress1 compress2

2 0011 0_11 __11

1100 _011 __11

3 0111 110_

1011 _111

1101 1_11

4 1111 11_1

Y = __11+110_+11_1 First simplification

smallest

0011 1100 0111 1011 1101 1111

__11 ◎ ◎ ◎ ◎

110_ ◎ ◎

11_1 ○ ○

Y = __11+110_ Final form

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Wolfram Alpha

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Design of sequential logic circuit: State diagram

Ex) 2-bit counter with two T-FF State (transition) diagram:

state state

Transition

input output

FF output:

Karnaugh

map

simplification

Recursion equation:

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Design of sequential logic circuit: State diagram

T-FF :

Characteristic equation

(recursion equation)

x

y

TFF1 TFF2

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7.5 AD/DA converter circuit

7.5.1 Digital to Analog conversion

Resistor string type DA converter

n bits converter

→ 2𝑛 outputs!, 2𝑛 resistors!

Input

MOS switches

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7.5.1 Digital to Analog conversion

Resistor ladder type DA converter

MOS switch array

ON: 𝑉𝑆

OFF: ground

Input 0,0, ⋯ , 0,1,0, ⋯ , 0 𝑑𝑘 = 1, others = 0

2R

2R

2R

2R

2R

𝑉𝑆

1 k n

R R

𝐽1 𝐽1

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7.5.1 Digital to Analog conversion

2R

2R 𝐽𝑙 𝐽𝑙/2

𝐽𝑙/2

2R

𝐽out +

-

𝑅f

From the superposition theorem:

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7.5.1 Digital to Analog converter

t

Pulse width modulation (PWM) Digital signal →

PWM signal with a counter

Analog signal

Low pass

D-class amplifier

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7.5.2 Analog-Digital converter

Successive comparison type AD converter

+

+

--

𝑉𝑆

Decoder

⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯

⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯

input

Flush type

comparators

Output

Sample

and

hold

R R R R

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7.5.2 Analog-Digital converter

Integrating Analog-Digital Converter

Sample

and

hold

comparator

clock

Cou

nte

r +

-

+

-

C

R

output

start

reset

𝑉𝑖𝑛

𝑉𝑖𝑛

𝑉𝑆

slope = 𝑉𝑆

𝐶𝑅

t

t

𝑉𝑜

𝑉𝑜

𝑉count

𝑉count

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Filter Circuit

Transmission

w

Transmission

w

Transmission

w

Transmission

w

Low pass filter

High pass filter

Band pass

filter

Notch filter

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An example for retrieving data from noise

Signal with noise

Detection of

carrier

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Results

Frequency filter

1.5

1.0

0.5

6543210

Original signal

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7.6 Digital filter (as a digital signal processing)

Digital filtering:

Block diagram representation of operations

constant multiplier adder delay (shift resistor)

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Block diagram example

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Feedback and transfer function