Логические элементы

Логические операции реализуются с использованием электрических схем, которые называются логическими элементами. Они изготавливаются в виде интегральных микросхем в большинстве своем на базе диодов и транзисторов, либо только транзисторов. В связи с этим различают два типа логических элементов: ДТЛ (диодно-транзисторная логика) и ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). На рис. 7.2 представлены схемные обозначения элементов, выполняющих простейшие логические операции. При этом элементы “ИЛИ” и “И” – двухвходовые, т.е. выполняющие операции с двумя входными переменными. Однако промышленностью выпускаются логические элементы “ИЛИ” и “И” с большим числом входных клемм.

Рисунок 7.2. Схемное обозначение логических элементов

На рис. 7.3 приведена схема на диодах, с помощью которой реализуется операция логического сложения. Действительно, при отсутствии на входах этой схемы сигналов (x = 0, где i = 1, 2, … n) все диоды будут находиться в закрытом состоянии и на резисторе падение напряжения равно нулю (F = 0). При подаче хотя бы на один вход схемы сигнала положительной полярности диод, установленный на этом входе, перейдет в открытое состояние. Через него и последовательно включенный с ним резистор R будет протекать ток, падение напряжения на резисторе будет отличаться от нуля. F = 1.

Рисунок 7.3. Реализация Рисунок 7.4. Реализация логической логической операции операции «И» на диодах

«ИЛИ» на диодах

Нетрудно также показать, что схема на рис. 7.4 обеспечивает выполнение операции “И”. Через резистор R будет протекать ток, и с этого резистора будет сниматься напряжение, равное U _вых = ER / (R + R ), т.е. F = 1, когда катоды всех диодов будут под положительным потенциалом, превышающим величину U _вых (x = 1), а, следовательно, все диоды будут закрыты. Если хотя бы на одном входе схемы сигнал отсутствует, соответствующий диод будет открыт, и через него будет протекать ток в обход резистора R , поскольку его сопротивление выбирается много больше сопротивления открытого диода. Падение напряжения на резисторе R в данном случае будет равно нулю. F = 0.

Операция “НЕ” может быть реализована на биполярном транзисторе типа n-p-n, включенного по параллельному варианту построения ключевой схемы (рис. 4.2.а). Как было показано в разделе 4.1, при подаче на вход схемы сигнала положительной полярности определенного уровня (x = 1) транзистор будет находиться в открытом состоянии, т.е. в точке “б” на рис. 4.4, б. Этому режиму транзистора соответствует очень малая величина напряжения коллектор-эмиттер, Δ U_{КЭ ОТК}, которая является выходом схемы, F = 0. При отсутствии на входе сигнала (x = 0) транзистор будет закрыт (точка «а» на рис. 4.4, в), и с выхода схемы снимается напряжение, практически равное +Е, т.е. F = 1.

Следует отметить, что напряжение на выходе схем рис.7.3 и 7.4, равное нулю, обеспечиваются лишь при идеальном шунтировании резистора, с которого снимается выходное напряжение открытыми диодами. При реализации логической операции «НЕ» из-за наличия остаточного напряжения на открытом транзисторе выходное напряжение также отличается от нуля. Таким образом, в реальных логических элементах логическим нулем, фактически, является не нулевое, а малая величина напряжения. В связи с этим в справочных данных обычно вместо «0» указывается «н» (низкий уровень напряжения) и соответственно вместо «1» указывается «в» (высокий уровень напряжения).

Логические элементы выпускаются промышленностью в виде серий. Элементы каждой серии, выполняющие различные операции, могут сопрягаться в сложную схему логического устройства. Элементы серии создаются на базе основного элемента, который обычно выполняет операции “ИЛИ-НЕ” или “И-НЕ”. Математическая форма представления этих операций имеет вид:

F = и F = .

Схемы, реализующие операции “ИЛИ-НЕ” и “И-НЕ”, могут быть получены при последовательном соединении двух схем, выполняющих операции соответственно “ИЛИ”-“НЕ” и “И”-“НЕ”, что показано на рис. 7.5, а и 7.6, а для случая двухвходовых элементов. Схемные обозначения элементов “ИЛИ-НЕ” и “И-НЕ” представлены на рис. 7.5, б и 7.6, б, а таблицы истинности – в табл. 7.4 и 7.5.

Рисунок 7.5. Логическая операция «ИЛИ-НЕ»:

а – принцип реализации операции,

б - схемное обозначение логического элемента

Рисунок 7.6. Логическая операция «И-НЕ»:

а – принцип реализации операции,

б - схемное обозначение логического элемента

Рисунок 7.7. Реализация логической операции «И-НЕ»

на транзисторах

На рис. 7.7 представлена схема на транзисторах, реализующая логическую операцию “И-НЕ”. Особенностью этой схемы является использование многоэмиттерного транзистора Т , которым заменяется диодная часть элемента “И-НЕ”, выполняющего операцию “И”. В многоэмиттерном транзисторе эмиттерный слой состоит из нескольких областей при общих базовом и коллекторном слоях. Принцип работы схемы рис. 7.7 следующий. Если на все эмиттерные входы транзистора Т будет подано положительное напряжение, равное Е (т.е. все x = 1), все эмиттерные переходы транзистора будут закрыты, а его ток базы будет протекать через открытый коллекторный переход, обусловливая протекание коллекторного тока, который одновременно является базовым током транзистора Т . Транзистор Т , который выполняет операцию логического отрицания, в этом случае будет находиться в открытом состоянии, и на его выходе напряжение будет практически отсутствовать (F = 0). При отсутствии хотя бы на одном эмиттерном входе транзистора Т сигнала положительной полярности, ток, протекающий через резистор R и через соответствующий открытый эмиттерный переход, будет замыкаться по цепи этого эмиттерного входа. Базовый ток транзистора Т будет равен нулю, поскольку суммарное сопротивление коллекторного перехода транзистора Т и базового слоя транзистора Т оказывается довольно большим по сравнению с сопротивлением открытого эмиттерного перехода транзистора Т . Транзистор Т поэтому будет находиться в закрытом состоянии, и на его выходе напряжение будет близко к величине +Е , т.е. F = 1.

Рисунок 7.8. Схемы реализации логических операций на элементах «И-НЕ»

а – операции «НЕ», б – операции «И», в - операции «ИЛИ»

Логические элементы «ИЛИ-НЕ» и «И-НЕ» называют базовыми, поскольку схемы, составленные только из этих элементов одного типа, позволяют реализовывать простейшие логические операции. Это нетрудно доказать с использованием формул алгебры логики, например, на схемах, составленных из элементов «И-НЕ», которые приведены на рис. 7.8.

На вход элемента схемы рис. 7.8, а подаются две одинаковых переменных x. Поэтому согласно тождествам (7.11) и (7.1)

F = = + = .

Таким образом, схема рис. 7.8, а выполняет операцию “НЕ”.

В качестве выходного каскада схемы рис. 7.8, б используется элемент “И-НЕ”, включенный по схеме рис. 7.8, а. Он инвертирует информацию, поступающую с входа первого элемента. Если учесть тождество (7.9), то

F = = xy.

Следовательно, схема рис. 7.8, б выполняет операцию “И”.

Информация, поступающая на каждый входной элемент схемы рис. 7.8, в, инвертируется, т.е. и . Тогда последовательное использование тождеств (7.11) и (7.9) позволяет показать, что эта схема реализует операцию логического сложения “ИЛИ”

F = = + = x + y.

К основным показателям логических элементов, в первую очередь, относят быстродействие, потребляемую мощность и помехоустойчивость. Быстродействие характеризуется временем задержки реакции выходного сигнала при изменении сигнала на входе элемента. Время задержки логических элементов обычно составляет 0, 01 – 0, 3 мкс. Их потребляемая мощность обычно находится в пределах от 1 мкВт до 250 мВт и связана с быстродействием: потребляющие большую мощность элементы имеют более высокое быстродействие. При работе логических элементов в составе аппаратуры возможны случаи ложного срабатывания под действием напряжений помех, попадающих на вход микросхемы. Мерой невосприимчивости элементов к помехам является помехоустойчивость, которая зависит от структуры микросхемы, режима работы в ней транзисторов, величины питающего напряжения.