Tinjauan Umum Desain Sirkuit Digital

Rangkaian digital merupakan salah satu jenis rangkaian listrik. Rangkaian digital hanya memiliki dua keadaan keluaran, yaitu ON (1) dan OFF (0). Berbeda dengan rangkaian analog yang mampu menghasilkan keluaran dengan nilai kontinu. Mempelajari rangkaian digital juga akan membuat kita belajar tentang aljabar Boolean, penomoran digital, dan tentu saja gerbang logika.

Apa itu Sirkuit Digital

Pendekatan mudah untuk memahami apa itu rangkaian digital adalah dengan memahami rangkaian digital vs rangkaian analog.

Rangkaian digital adalah rangkaian yang dibuat untuk elektronika digital. Rangkaian ini memproses dan menghasilkan sinyal digital. Berbeda dengan rangkaian analog yang memproses dan menghasilkan sinyal analog, rangkaian digital terutama digunakan untuk memproses dan menghasilkan sinyal digital.

Ada beberapa perbedaan antara masukan dan keluaran digital dan analog yang perlu kita pahami.

Ada penjelasan menarik tentang perbedaan antara sinyal digital dan sinyal analog. Sinyal digital disajikan dalam nilai-nilai diskrit yang terbatas untuk mengekspresikan semua nilai dalam saluran. Sinyal analog disajikan dalam bilangan riil yang dapat memberikan nilai di titik manapun dalam saluran, bilangan bulat atau desimal.

Kita dapat mengamati perbandingan di bawah ini. Sinyal diskrit bergantung pada penundaan pengambilan sampel waktu. Semakin pendek penundaan atau semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak nilai yang ditangkap.

Tentu saja, menjadi rangkaian digital tidak berarti rangkaian tersebut tidak dirancang tanpa elektronik analog. Tetap penting bagi kita untuk mempertimbangkan merancang rangkaian digital dengan bantuan elektronik analog.

Rangkaian digital biasanya dibangun dari gerbang logika yang biasanya terdapat dalam rangkaian terpadu yang dikemas. Inilah yang kita kenal sebagai rangkaian terpadu digital. Apa pun yang kita gunakan untuk membangun rangkaian digital, kita perlu memahami fungsi logika Boolean.

Rangkaian digital memiliki kelebihan dibandingkan rangkaian analog. Kelebihan yang paling menonjol adalah kemampuannya untuk mentransmisikan sinyal secara digital sehingga memiliki degradasi minimum yang disebabkan oleh derau. Derau ini merupakan pekerjaan rumah tambahan bagi kita jika kita merancang rangkaian analog.

Rangkaian digital terutama menggunakan rangkaian arus searah (DC) untuk melakukan operasi logika. Jenis daya ini lebih disukai karena memberikan tegangan dan arus yang stabil ke rangkaian. Tidak hanya itu, bilangan biner direpresentasikan oleh tegangan DC positif sebagai 1 dan nol volt sebagai 0. Atau dengan kata lain, tegangan suplai DC penuh sebagai logika 1 dan nol volt sebagai logika 0.

Karena rangkaian digital menghasilkan output berdasarkan kombinasi input, jika kita menggunakan rangkaian arus bolak-balik (AC), input dapat terganggu oleh perubahan arah suplai.

Rangkaian Logika Digital

Rangkaian digital memiliki presisi yang lebih tinggi saat mentransmisikan dan menyajikan sinyal elektronik. Penggunaan digit biner (0 dan 1) memudahkan untuk membedakan dua kondisi sinyal. Tidak seperti sinyal analog yang mana membedakan 0 dan 1 bisa lebih sulit karena dipengaruhi oleh noise, bilangan digital mampu merekonstruksi sinyal tanpa kesalahan.

Pemrosesan bilangan digital seperti digit biner memaksa kita untuk menggunakan rangkaian digital tambahan. Kesulitan ini juga ditemukan di rangkaian analog yang mana kita memerlukan peningkatan tambahan pada rangkaian kita untuk meminimalkan noise dalam setiap pemrosesan dan transmisi sinyal.

Rangkaian digital selalu dapat direpresentasikan sebagai tabel kebenaran untuk hubungan input dan output. Ketika sekumpulan gerbang logika dihubungkan bersama, output akhirnya dapat dihitung dengan membuat tabel kebenarannya. Apa pun input kita, output sudah ditentukan.

Ingatlah kondisi di bawah ini:

• Biner 1 = TINGGI = BENAR
• Biner 0 = RENDAH = SALAH

Baik itu biner, desimal, heksadesimal, status 0 dan 1 tetap digunakan untuk mendesain dan mengonversi. Biasanya jika rangkaian logika menerima dan menghasilkan +3,5 V hingga +5 V, maka akan dihitung sebagai status 1, dan yang lebih rendah dari itu akan dihitung sebagai status 0.

Ada dua jenis rangkaian digital, yaitu:

• Rangkaian digital sekuensial dipengaruhi oleh status keluaran sebelumnya sebagai status masukan saat ini.
• Rangkaian digital kombinasional hanya menggunakan status masukan saat ini.

Ringkasan logika kombinasional dan sekuensial ditunjukkan di bawah ini. Yang kiri adalah kombinasional sedangkan yang kanan adalah sekuensial:

Keadaan ini akan diproses lebih lanjut oleh gerbang logika:

• AND
• OR
• NOT

Ketiganya dapat dikombinasikan lebih lanjut menjadi NAND, NOR, XOR, dan masih banyak lagi.

Desain Sirkuit Digital

Desain sirkuit digital adalah proses desain untuk membangun sirkuit yang terdiri dari beberapa semikonduktor seperti gerbang logika, transistor, gerbang logika, dan beberapa jenis komponen sirkuit dasar seperti resistor, induktor, dan kapasitor. Sirkuit digital mengikuti aljabar Boolean dan sinyal diskrit, nol dan satu.

Saat melakukan desain sirkuit digital, kita harus berusaha membuat sirkuit kita sesederhana mungkin. Redundansi logika sering digunakan oleh para insinyur untuk mengurangi kompleksitas sirkuit.

Semakin kompleks sirkuit kita, semakin banyak biaya yang harus kita keluarkan dan semakin banyak kesalahan yang akan kita dapatkan. Semakin sedikit kompleksitas berarti semakin sedikit jumlah komponen, semakin sedikit potensi kesalahan, dan semakin sedikit biaya. Untuk mencapai hal ini, kita tidak harus langsung menggunakan komponen canggih.

Seperti yang telah kita pelajari tentang analisis sirkuit listrik, sirkuit digital memiliki caranya sendiri untuk dianalisis dan dioptimalkan. Teknik-teknik yang terkenal adalah:

• Peta Karnaugh
• Diagram biner
• Aljabar Boolean
• Metode komputer heuristik
• Algoritma Quine-McCluskey.

Tiga yang pertama adalah dasar-dasarnya dan sisanya dapat dilakukan dengan mudah dengan sistem desain berbantuan komputer.

Mikrokontroler dan Pengontrol Logika Terprogram sebagai contoh sistem tertanam, sangat populer untuk membangun sistem yang kompleks dengan desain sirkuit minimum dengan fitur-fiturnya yang kuat.

Seperti yang dinyatakan di atas, hubungan input dan output sirkuit digital dapat dihitung secara akurat dengan Tabel Kebenaran. Namun perlu diingat, ada dua jenis sistem digital, sistem kombinasional dan sistem sekuensial.

Sistem kombinasional adalah sirkuit digital yang outputnya ditentukan oleh output saat ini.

Berlawanan dengan itu, sistem sekuensial memiliki output yang diumpankan kembali ke inputnya. Dengan cara ini, output bergantung pada input sebelumnya untuk menghasilkan “urutan” operasi.

Lebih jauh, sistem kombinasional dibagi menjadi sistem sekuensial sinkron dan sistem sekuensial asinkron.

Perbedaannya adalah sistem sinkron mengubah status outputnya saat sinyal clock berubah status. Sistem asinkron menyebarkan perubahan setiap kali input berubah. Dengan mempelajari desain sirkuit digital ini, kita akan mempelajari tentang JK Flip Flop, SR Flip Flop, D Flip Flop, T Flip Flop, dan Master Slave Flip Flop yang terkenal.

Sirkuit digital sinkron mudah dibuat dengan flip-flop dasar seperti D, T, RS, atau JK. Tentu saja, hanya dengan menggabungkan flip-flop saja kita tidak akan memperoleh hasil apa pun. Kita memerlukan satu elemen sirkuit untuk register status. Ini juga merupakan salah satu jenis flip-flop, yang menghasilkan bilangan biner, yang bertindak sebagai Clock (CLK).

Untuk membangun sistem sinkron, kita akan membuat logika kombinasional dan satu set flip-flop sebagai register status. Logika kombinasional ini menghasilkan bilangan biner untuk status berikutnya.

Setiap kali CLK menyelesaikan satu siklus (1 – 0 – 1), output akan digeser ke kanan dan register status juga menangkap umpan balik dari output dari status sebelumnya. Ini merupakan kelemahan sistem sinkron karena dikendalikan oleh kecepatan CLK, sistem tidak dapat beroperasi pada kecepatan penuhnya. Namun karena dapat dikendalikan dengan CLK, mudah untuk memverifikasi sistem sinkron apakah mengikuti desain kita atau tidak.

Berlawanan dengan itu, sistem asinkron tidak bergantung pada CLK sehingga dapat memanfaatkan kecepatan maksimum status logikanya. Contoh dari sistem ini adalah switch debouncer, sinkronisasi flip-flop, dan arbiter.

Sistem asinkron pada dasarnya lebih sulit untuk diprediksi dan dirancang outputnya karena kita perlu mengevaluasi semua kemungkinan status dalam semua kemungkinan pengaturan waktu. Kita perlu berhati-hati dalam merancang jenis rangkaian digital ini karena kita dapat secara tidak sengaja menghasilkan keluaran yang tidak diharapkan pada waktu yang tidak diharapkan.

Inilah alasan mengapa rangkaian digital asinkron tidak stabil.

Sirkuit Terpadu Digital

Seperti yang telah dijelaskan di atas, rangkaian digital biasanya dibangun dari sekumpulan gerbang logika. Konstruksi gerbang logika dapat dihubungkan satu sama lain untuk membuat logika kombinasional.

Logika kombinasional dasar atau kompleks dapat dipecahkan, dianalisis, dan dirancang dengan memetakan logika Boolean. Gerbang logika biasanya dibuat oleh sakelar listrik seperti transistor. Output gerbang logika dapat digunakan sebagai input untuk gerbang logika lainnya.

Rangkaian terpadu digital adalah perangkat yang menggabungkan beberapa komponen listrik digital dalam sebuah chip semikonduktor kecil. Perhatikan rangkaian terpadu SN7400N di bawah ini yang memiliki tiga gerbang AND dalam satu chip.

Tentu saja ada banyak jenis chip yang dapat berfungsi sebagai gerbang logika untuk kebutuhan kita.

Seperti yang telah disebutkan di awal, rangkaian digital dan rangkaian terpadu digital sangat baik dalam memproses nilai diskrit (0 dan 1). Dengan karakteristik ini, IC digital juga digunakan sebagai perangkat switching karena mewakili kondisi ON dan OFF.

Rangkaian terpadu digital dapat dibangun dari kombinasi flip-flop, gerbang logika, dan multiplexer. Apakah lebih mudah dibangun daripada rangkaian analog, itu tergantung pada perhitungan aljabar Boolean kita untuk menyederhanakan rangkaian.

Ada beberapa aplikasi rangkaian terpadu digital, contohnya adalah:

• Sirkuit terpadu logika
• Chip memori
• Sirkuit terpadu manajemen daya
• Sirkuit terpadu yang dapat diprogram
• Sirkuit terpadu antarmuka

Perlu diingat bahwa sirkuit digital dan sirkuit analog sering kali saling melengkapi, itulah sebabnya ada sirkuit konverter digital ke analog (DAC) dan sirkuit analog ke digital (ADC).

Pertanyaan yang Sering Diajukan