Een digitale NAND poort is een schakeling met twee ingangen A en B en één uitgang Y die de wiskundige formule NIET(A EN B) representeert. De schakeling is met twee transistoren en twee weerstanden opgebouwd en gaat uit van genormaliseerde spanningswaarden op de ingangen die de logische waarden ‘1’ en ‘0’ representeren. De uitgang Y toont de NAND formule met elektronensnelheid, ongeveer de snelheid van het licht in een vacuüm. De NAND poort werd door Texas Instruments in 1966 in viervoud in een epoxy 14-pins DIL behuizing als de ‘Quadruple 2-input positive-NAND gate’ op de markt gebracht en zou de start van het digitale tijdperk inluiden.
Op de routekaart naar microprocessoren zoals we die vandaag de dag kennen staan een aantal belangrijke vindingen: de halfgeleider, fotolithografie en geïntegreerde circuits, digitale elektronica en elektronische digitale logische poorten en binaire logica en de Von Neumann architectuur voor processoren die volledig met digitale elektronica is op te bouwen. De rol van Texas Instruments is hier van doorslaggevend belang geweest, met zowel de vinding voor de toepassing van fotolithografie voor de realisatie van miniatuur elektronische ‘bouwblokken’ door Jack Kilby in 1959, geïntegreerde schakelingen eveneens door Jack Kilby in 1966, de grootschalige vermarkting van digitale elektronica met de 7400-serie in 1966 en de uitvinding van de microprocessor door Gary Boone in 1971.
Digitale elektronica was in 1966 voor de meeste elektronici een onbekend fenomeen. De introductie van de 7400-reeks van digitale schakelingen in eenvoudig toepasbare en betaalbare elektronische bouwblokken was allesbepalend voor het succes van de praktische digitale elektronica. Toen ikzelf elektronica studeerde waren ‘analoge elektronica’ en ‘digitale elektronica’ twee gescheiden vakgebieden met enig, maar niet al te veel, overlap. Waren in de analoge elektronica vooral de halfgeleiders (diodes en transistoren en hun vervangingsschema’s) de belangrijkste spelers, in de digitale elektronica werkte je met Karnaugh-diagrammen en logische poorten die alleen bij de introductie ervan de transistorvervangingsschema’s bespraken. Texas Instruments was de grootste speler op het gebied van digitale IC’s en hun toepassingsgids “The TTL Data Book for Design Engineers” was het belangrijkste naslagwerk voor iedere elektrotechnisch ingenieur.
Digitale schakelingen ontlenen hun belangrijkheid aan de binaire logica, die in de basis uit drie eenvoudige formules bestaat waarvan de uitkomst in de vorm van ‘waarheidstabellen’ kan worden gerepresenteerd:
- Y = A EN B
- Y = A OF B
- Y = NIET(A)
De drie formules kunnen worden gecombineerd tot complexere formules, zoals:
- Y = A NIET-EN B is equivalent aan Y = NIET(A EN B)
- Y = A X-OF B is equivalent aan Y = ( A EN NIET(B) ) OF ( NIET(A) EN B )
- Y = A NIET-OF B is equivalent aan Y = NIET(A OF B)
Elk van de formules heeft een schemasymbool dat ervoor zorgt dat digitale schakelingen eenduidig kunnen worden ontworpen:
Texas Instruments besloot in 1966 al dit soort digitale ‘waarheden’ in de vorm van eenvoudig met elkaar te combineren geïntegreerde circuits aan de massa beschikbaar te stellen in de vorm van wat zij noemden ‘TTL chips’. TTL staat voor ‘Transistor-to-Transistor-Logic en representeert het gebruik van transistoren voor het opbouwen van digitale schakelingen voor logische ‘1’ (3-5 volt) en ‘0’ (0-1 volt) signalen.
Met de TTL IC’s kunnen complexe digitale schakelingen worden opgebouwd aan de hand van de logische formules. Een halve opteller bijvoorbeeld telt twee enkele binaire cijfers A en B op. Het heeft twee uitgangen, som (S) en overdracht (C). Het overdracht-signaal vertegenwoordigt een overloop naar het volgende cijfer van een meercijferige optelling. De waarde van de som is 2C + S. De halve opteller wordt met één XOR en één NAND poort opgebouwd, hetgeen met één 7400 TTL chip te realiseren is.
Externe links
- Patent Fabricage van elektronische bouwblokken, Jack Kilby (Texas Instruments), 1959
- Patent Meervoudige emitters op een enkele transistor, Jack Kilby (Texas Instruments), 1964
- Patent Geïntegreerde schakelingen in een enkele behuizing, Jack Kilby (Texas Instruments), 1966
- Patent Microprocessor, Gary Boone (Texas Instruments), 1971
- Texas Instruments 7400 datasheet
- 7400-series integrated circuits op WIkipedia
