Laporan Praktikum Elektronika Gerbang 1 (gerbang logika)

I.              Tujuan

Setelah percobaan,praktikan diharapkan dapat:

a.    Menerangkan fungsi gerbang AND,OR,dan NOT

b.    Merangkai gerbang-gerbang tersebut dengan rangkaian tahanan,dioda,dan transistor

c.    Membuat tabel kebenaran

d.    Merangkai fungsi gerbang NAND dan NOR

II.            Teori Dasar

 Gerbang logika adalah suatu entitas dalam elektronika dan matematika boolean yang mengubah satu atau beberapa masukan logik menjadi sebuah sinyal keluaran logik. Gerbang logika terutama diimplementasikan secara elektronis menggunakan dioda atau transistor, akan tetapi dapat pula dibangun menggunakan susunan komponen-komponen yang memanfaatkan sifat-sifat elektromagnetik. Logika merupakan dasar dari semua penalaran. Untuk menyatukan beberapa logika, kita membutuhkan operatorlogika dan untuk membuktikan kebenaran dari logika, kita dapat menggunakan tabel kebenaran. Tabel kebenaran menampilkan hubungan antara nilai kebenaran dari proposisi atomik. Dengan tabel kebenaran tersebut, suatu persamaan logika ataupun proposisi dapat dicari nilai kebenarannya. Tabel kebenaran pasti mempunyai berbagai aplikasi yang dapat diterapkan karena mempunyai fungsi tersebut. Salah satu dari aplikasi tersebut yaitu dengan  menggunakan tabel kebenaran kita dapat mendesain suatu rangkaian logika.

Dalam praktikum ini,praktikan membuat rangkaian berdasarkan logika dioda-transistor,resistor-transistor,dan transistor-transistor.

1.    Logika Dioda-Transistor (DTL)

Logika dioda–transistor atau sering disebut (DTL) adalah sebuah keluarga gerbang logika yang terdiri dari transistor dwikutub (BJT), dioda dan resistor, ini adalah pendahulu dari logika transistor–transistor. Ini disebut logika dioda–transistor karena fungsi penggerbangan dilakukan oleh jaringan dioda dan fungsi penguatan dilakukan oleh transistor.
Rangkaian ini merupakan gabungan dari logika Inverter dan Dioda, untuk menghasilkan arus output yang lebih kuat 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.

Cara kerja:
Dengan sirkuit sederhana yang ditampilkan dalam gambar, tegangan panjar pada basis diperlukan untuk mencegah ketakstabilan dan kesalahan operasi. Pada versi sirkuit terintegrasi, dua dioda menggantikan R3 untuk mencegah arus basis apapun saat masukan pada keadaan rendah. Selain itu, untuk menambah sebaran keluar (fan-out), dapat digunakan dioda dan transistor tambahan IBM 1401 menggunakan sirkuit DTL yang hampir sama dengan sirkuit sederhana ini, tetapi menggunakan gerbang NPN dan PNP pada tegangan catu yang berbeda untuk menyelesaikan masalah panjar basis daripada menggunakan dioda tambahan.

Kekurangan kecepatan
Keuntungan utama DTL terhadap pendahulunya, logika resistor–transistor adalah penambahan sebaran masuk (fan-in). Tetapi tundaan penyebaran masih relatif tinggi. Ketika transistor jenuh ketika semua masukan tinggi, muatan disimpan di daerah basis. Ketika keluar dari daerah jenuh (salah satu masukan rendah), muatan ini harus dihilangkan terlebih dahulu, yang membutuhkan beberapa saat. Salah satu cara untuk mempercepat adalah dengan menghubungkan resistor dari basis transistor ke catu negatif yang akan membantu mengikangkan pembawa minoritas pada basis. Masalah diatas telah diatasi TTL dengan mengganti dioda pada sirkuit DTL dengan transistor multi-emitor, yang juga mengurangi area yang dibutuhkan tiap gerbang pada implementasi sirkuit terintegrasi.

2.    Logika Resistor-Transistor (RTL)

Logika resistor–transistor atau sering disebut dengan RTL adalah sebuah keluarga sirkuit digital yang dibuat dari resistor sebagai jaringan masukan dan transistor dwikutub (BJT) sebagai peranti sakelar. RTL adalah keluarga logika digital bertransistor yang pertama, keluarga yang lain adalah logika dioda–transistor (DTL) dan logika transistor–transistor (TTL).

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


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.

KELEBIHAN:

Kelebihan utama dari RTL adalah jumlah transistor yang sedikit, dimana ini merupakan hal penting sebelum adanya teknologi sirkuit terintegrasi, dimana gerbang logika dibangun dari komponen tersendiri karena transistor merupakan komponen yang relatif mahal. IC logika awal juga menggunakan sirkuit ini, tetapi dengan cepat digantikan dengan sirkuit yang lebih baik, seperti logika dioda–transistorR dan kemudian logika transistor–transistorr, dikarenakan dioda dan transistor tidak lebih mahal dari resistor dalam IC.

KETERBATASAN:

Kekurangan paling jelas dari RTL adalah borosan dayanya yang tinggi ketika transistor menghantar untuk mengambil alih resistor panjar keluaran. Ini membutuhkan lobih banyak arus yang harus dicatu ke RTL dan lebih banyak bahang yang hapus dibuang dari RTL. Kebalikannya, sirkuit TTL meminimalkan kebutuhan tersebut. Pembatasan lain dari RTL adalah sebaran masuk (fan-in) yang terbatas, tiga masukan menjadi batas untuk banyak desain sirkuit untuk operasi normal sebelum kehilangan kekebalan akan desah. Rangkaian terintegrasi NOR RTL standar dapat menggerakan hingga tiga gerbang serupa. Sebagai alternatif, ini cukup untuk menggerakan dua penyangga yang bisa menggerakan 25 keluaran lainnya.

3.    Logika Transistor-Transistor(TTL)

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.

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.
TTL berbeda dengan pendahulunya, generasi logika resistor–transistor (RTL) dan logika dioda–transistor (DTL) dengan menggunakan transistor tidak hanya untuk penguatan keluaran tetapi juga untuk mengisolasi masukan. Pertemuan p-n dari dioda mempunyai kapasitansi yang cukup besar, jadi mengubah taraf logika pada masukan DTL memerlukan waktu dan energi yang tidak sedikit. Seperti terlihat pada skema kiri atas, konsep dasar dari TTL adalah mengisolasi masukan dengan menggunakan sambungan basis-bersama, dan menguatkan fungsi dengan sambungan emitor-bersama. Perhatikan bahwa basis dari transistor keluaran digerakan tinggi hanya oleh pertemuan basis-kolektor dari transistor masukan yang dipanjar maju. Skema kedua menambahkan keluaran tiang totem. Ketika Q2 mati (logika 1), resistor membuat Q3 hidup dan Q4 mati, menghasilkan logika 1 yang lebih kuat di keluaran. Ketika Q2 hidup, ini mengaktifkan Q4, menggerakan logika 0 ke keluaran. Dioda memaksa emitor dari Q3 ke ~0.7 V, sedangkan R2, R4 dipilih untuk menarik basis ke tegangan yang lebih rendah, membuatnya mati. Dengan menghilangkan resistor pull-up dan resistor pull-down pada tingkat keluaran, memungkinkan kekuatan gerbang ditingkatkan tanpa mempengaruhi konsumsi daya secara signifikan.[10][11] TTL sangat sesuai dibuat sebagai sirkuit terpadu karena masukan sebuah gerbang dapat disatukan kedalam sebuah daerah dasar untuk membentuk transistor multi emitor. Karena peranti yang rumit mungkin menambah biaya sirkuit jika dibuat dari transistor terpisah, tetapi dengan mengkombinasikan beberapa sirkuit kecil menjadi peranti yang lebih rumit, sebaliknya ini mengurangi biaya implementasi pada IC. Seperti logika yang menggunakan transistor dwikutub lainnya, arus kecil harus diambil dari masukan untuk memastikan taraf logika yang benar. Arus yang diambil harus dalam kapasitas tingkat sebelumnya, sehingga membatasi gerbang yang dapat disambungkan (fanout). Semua TTL standar bekerja pada pencatu daya 5 volt. Isyarat masukan TTL dikatakan rendah jika berada diantara A TTL 0 V dan 0.8 V dimana mewakili titik ground, dan tinggi ketika berada diantara 2.2 V dan 5 V, mewakili titik catu (taraf logika presisi mungkin sedikit bervariasi diantara subtipe). Keluaran TTL biasanya terbatas pada batas yang lebih sempit diantara 0 V dan 0.4 V untuk logika rendah dan diantara 2.6 V dan 5 V untuk logika tinggi, memberikan ketahanan desah 0,4V. Standarisasi taraf logika TTL sangat penting karena papan sirkuit yang rumit sering menggunakan IC TTL yang diproduksi oleh berbagai pabrik dan dipilih berdasarkan kesiapan dan harga, kecocokan harus meyakinkan, dua papan sirkuit dari jalur perakitan yang pada mungkin memiliki campuran merk yang berbeda untuk posisi yang sama dalam papan. Dalam batas dapat digunakan yang cukup luas, gerbang logika dapat dianggap sebagai peranti Boolean ideal tanpa kekhawatiran akan batasan elektronik.

VI. Data Analisis

Setelah melakukan percobaan,dapat dianalisa pada setiap rangkaian:

a.    Rangkaian 5.1

Pada rangkaian 5.1 menggunakan sumber 5 volt,2 buah saklar,2 buah dioda,sebuah resistor 100 ohm,dengan rangkaian sedemikian rupa pada gambar 5.1. Pada rangkaian ini, S1 pada posisi 1 dikopel dengan S2 pada posisi 1 dan S1 pada posisi 2 dikopel dengan S2 pada posisi 2. Ketika S1 dan S2 pada posisi posisi 2,dioda tidak terhubung ke ground,sehingga arus masuk ke LED tanpa hambatan,sehingga LED menyala. Ketika S1 dan S2 diubah ke posisi 1,dioda terhubung ke ground,hal ini membuat arus lebih condong ke arah dioda,lalu mengarah ke groundin,sehingga aLED tidak menyala karena tidak ada arus yang mengalir ke LED. Apabila salah satu antara S1 dan S2 diposisikan pada posisi 1 dan yang lainnya pada posisi 2,arus akan terbagi,ada yang menuju dioda lalu ke grounding dan ada arus yang menuju ke LED,namun LED tidak menyala karena arus yang masuk ke LED tidak cukup untuk membuat LED menyala. Rangkaian 5.1 sesuai dengan gerbang logika AND dengan tabel kebenaran sebagai berikut:

S1	S2	LED
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

b.    Rangkaian 5.2

Pada rangkaian 5.2, posisi 1 kedua saklar dikopel,begitu juga dengan pada posisi 2. Pada posisi 2,saklar terhubung ke ground,pada posisi 1,saklar terhubung dengan dioda. Terdapat sebua resistor 10K ohm pada rangkaian dan sebuah LED. Ketika kedua saklar diposisikan pada posisi 2,arus dari sumber akan langsung mengalir ke grounding sehingga arus tidak mengalir ke LED. Ketika salah satu dari kedua skalar diposisikan pada posisi 1,arus akan mengalir ke dioda karena dioda berfungsi sebagai penyearah,lalu arus mengalir langsung ke LED tanpa melewati resistor karena arus lebih condong ke komponen yang memiliki resistansi yang lebih rendah sehinggah LED menyalah,begitu juga ketika kedua saklar tersebut diposisikan pada posisi 1. Rangkaian 5.2 sesuai dengan gerbang logika OR dengan tabel kebenaran sebagai berikut:

S1	S2	LED
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

c.    Rangkaian 5.3

Pada rangkaian 5.3,kita menggunakan transistor yang berfungsi sebagai saklar. Ketika base transistor terhubung dengan sumber,transistor akan aktif dan arus akan mengalir ke emitter dan kolektor sehingga tidak ada arus yang mengalir ke LED,sehingga LED tidak menyala. Ketika transistor  dihubungkan ke ground,transistor tidak aktif,lalu semua arus akan langsung mengalir ke LED,sehingga LED menyala. Rangkaian ini sesuai dengan gerbang logika NOT dengan tabel kebenaran sebagai berikut:

input	output
0	1
1	0

d.    Rangkaian 5.4

Pada rangkaian 5.4,kita menggabungkan rangkaian 5.1 dan 5.3. Pada rangkaian ini,ketika salah satu atau kedua saklar diposisikan pada posisi 1,arus akan mengalir ke kaki-kaki transistor yang menyebabkan emitter dan base transistor mengalami bias forward. Lalu dari Vcc,arus mengalir ke resistor-resistor lalu masuk ke basis, basis kolektor mengalami bias reverse karena terjadi kenaikan tegangan. Transistor mengalami kondisi cut-off dan menghasilkan tegangan maksimal,sehingga LED menyala. Ketika kedua saklar diposisikan pada posisi 2,transistor akan mengalami keadaan saturasi. Karena itu,arus tidak masuk ke LED,sehingga LED tidak menyala. rangkaian ini sesuai dengan gerbang logika NAND dengan tabel kebenaran sebagai berikut:

S1	S2	LED
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

e.    Rangkaian 5.5

Rangkaian 5.5,hasil penggabungan dari rangkaian 5.2 dan 5.3. Ketika kedua saklar diposisikan pada posisi 1,arus dari sumber VCC masuk ke basis,menyebabkan tegangan menjadi drop yang menyebabkan  kaki basis dan kolektor transistor mendapat bias reverse. Transistor akan berada pada kondisi cut-off,menghasilkan tegangan tinggi yang masuk ke LED,sehingga LED menyala. Jika salah satu atau kedua saklar diposisikan pada posisi 2,arus dari sumber VCC akan mengalir ke dioda,menuju tahanan-tahanan. Kaki transistor,basis emiter mengalami bias forward,menyebabkan transistor pada posisi jenuh. Karena transistor jenuh,tidak terjadi drop tegangan,sehingga arus yang masuk tidak  cukup untuk membuat LED menyala. Rangkaian ini sesuai dengan gerbang NOR dengan tabel kebenaran sebagai berikut:

S1	S2	LED
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

VII.  Kesimpulan

1.    Arus lebih memilih mengalir pada komponen yang memiliki hambatan lebih rendah dibanding komponen yang lain.

2.    Pada rangkaian 5.1 sesuai dengan gerbang AND. LED akan menyala hanya jika kedua saklar pada posisi logika 1,jika hanya salah satunya,maka LED tidak menyala.

3.    Pada rangakaian 5.2 sesuai dengan gerbang OR,LED akan menyala jika salah satu atau kedua saklar pada posisi logika 1.

4.    Pada rangkaian 5.3 sesuai dengan gerbang NOT. LED akan menyala jika input pada posisi 0 dan akan padam jika pada posisi 1.

5.    Pada rangkaian 5.4,sesuai dengan gerbang NAND, LED dapat menyala jika input kedua saklar 1 atau salah satunya 1,kebalikan dari gerbang AND.

6.    Pada rangkaian 5.5,sesuai dengan gerbang NOR,LED akan menyala hanya jika kedua saklar pada posisi 0,kebalikan dari gerbang OR.

7.    Transistor dapat berfungsi sebagai saklar yang akan mengubah arah arus yang masuk dalam gerbang logika (gerbang NOT).

8.    LED dapat menyala jika arus yang masuk sesuai dengan arus kerjanya.