Логические элементы работают с представлением информации в двоичном коде, который характеризуется двумя уровнями—1 и 0. При прямом представлении информации 1 соответствует высокому уровню напряжения, 0 —низкому. В устройствах обратной логики 1 соответствует низкому напряжению, 0—высокому. Обычно пользуются прямой (позитивной) логикой, но бывают случаи, когда выгодно использовать обратную логику. В логических устройствах обычно используют в качестве 1 постоянное напряжение (например, 3, 5, 9, 12 В), в качестве логического нуля –0В. Элементы могут иметь прямой или инверсный (т.е. противоположный прямому) входы и выходы.
Логические элементы на схемах в европейских стандартах обозначаются прямоугольниками, входы слева, выходы—справа. Внутри прямоугольника указывается функция, осуществляемая элементом. Функция задается или таблицей истинности, или языком алгебры логики. Элемент НЕ называется инвертором.
Показанные элементы являются базовыми, т.е. на их основе строятся другие элементы, используемые для построения электрических схем. Элементы могут быть двухвходовыми и более. Есть элементы, позволяющие увеличить количество входов.
Логические элементы обычно выпускаются в виде микросхем. В один корпус может входить несколько элементов, каждый из которых может самостоятельно использоваться в различных частях схемы. Например, в корпусе может быть шесть инверторов. Общими остаются только цепи питания.
Передаточные характеристики элементов.
Передаточная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения от входного. Если элемент многовходовой, остальные входы должны быть установлены в такие состояния, которые необходимы для передачи состояния исследуемого входа. Передаточная характеристика
существует для каждого из входов. Для примера показана передаточная характеристика инвертора. При изменении входной величины от нуля до некоторого значения , которая называется пороговым напряжением логического нуля, выходная величина равна единице.
При изменении входного напряжения от некоторого значения , которое называется пороговым напряжением логической единицы, до напряжения источника питания выходная величина равна нулю. В какой-то точке участка АВ, т.е. между двумя пороговыми напряжениями происходит переход из логической единицы в логический ноль. Точка перехода зависит от настройки логического элемента. Однако для безошибочного различения сигналов логического нуля и логической единицы при использовании логических элементов необходимо выполнять следующие соотношения, которые на графике показаны при напряжении питания 5В (для других напряжений соотношения остаются в тех же пропорциях).
1) Логическим нулем считаются напряжения от 0 до 0,4 В.
2) Логической единицей считаются напряжения от 2,4 до 5В.
3) Участок от 0,4 до 2,4 В считается запрещенной зоной, т.е.при различных преобразованиях сигнала его напряжение не должно попадать в запрещенную зону.
Переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а через некоторое время, называемое задержкой распространения. Задержка распространения из единицы в ноль и задержка распространения из нуля в единицу могут быть не равны друг другу. Задержка распространения измеряется на середине размаха импульса. Обычно пользуются средним арифметическим значением задержки распространения. Эта величина относится к параметрам логического элемента.
К параметрам относятся.
t10—длительность перехода из единицы в ноль;
t01—длительность перхода из нуля в единицу.
Быстродействие логического элемента определяется его задержкой распространения, которая имеет величину от единиц нс до десятков нс.
Важными параметрами являются коэффициент разветвления по выходу (количество входов логических элементов, которое можно подключить к одному выходу) и коэффициент объединения по входу (число входов, при которых реализуется логическая функция). Коэффициент разветвления бывает не менее десяти, коэффициент объединения используется редко, т.к. объединение реализовано в логическом элементе.
8.2 Базовые схемы логических элементов
8.2.1 ДТЛ и ТТЛ
Диодно-транзисторная логика построена на основе диодов и транзисторов. В основу входят базовые логические элементы, схемные решения которых одинаковы для всей системы. На рисунке показан элемент 3И-Не. Схема И реализована на диодах, инвертирование—на транзисторе VT. Если на входах Х1…Х3 единицы, на базе транзистора –единица, транзистор в насыщении, на выходе –напряжение отпертого транзистора, т.е. не более 0,4 В—логическая единица. Для увеличения быстродействия нужно уменьшить степень насыщения транзистора, что достигается введением диода VD6. При подаче на любой из входов нуля напряжение в точке а становится равным падению напряжения на открытом диоде. Этого может оказаться недостаточно для запирания транзистора. Для большего уменьшения напряжения базы введено два диода VD4 и VD5(диоды смещения). Иногда на вход транзистора подается отрицательное относительно эмиттера напряжение смещения через резистор R2.
Если источник отрицательного смещения отсутствует, резистор R2 подключается к эмиттеру. Транзистор при нуле на входе микросхемы может оказаться не в режиме отсечки, а в активном режиме при малом токе коллектора. Это увеличивает быстродействие, но уменьшает надежность и увеличивает потребление. Для повышения нагрузочной способности применяют сложный инвертор.
ДТЛ имеет большие недостатки (большое выходное сопротивление в закрытом состоянии транзистора, малая нагрузочная способность) и практически мало где применяется.
В ТТЛ (транзисторно-транзисторной логике), как правило, применяется сложный инвертор и многоэмиттерный транзистор вместо диодов. ТТЛ компактнее ДТЛ, имеют более высокое быстродействие, надежность, нагрузочную способность, помехозащищенность, потребляют значительно меньшую мощность.
В показанном на схеме многоэмиттерном транзисторе VT1 роль входных диодов играют эмиттерные переходы, а коллекторный диод—роль диода смещения. Сложный инвертор выполнен на транзисторах VT2…VT4.
При Х1=Х2=Х3=1 все эмиттерные переходы смещены в обратном направлении. Напряжение на коллектор подается через базу транзистора VT2. Коллекторный переход транзистора VT1 открыт, и положительное напряжение подается на базу VT2; через базу VT2 протекает ток. VT2открывается и переходит в состояние насыщения.
При нулевом состоянии любого из входов переход этого входа открывается, через сопротивление R1 и базу протекает ток, напряжение на базе транзистора VT2 становится близким к нулю, ток базы транзистора так же становится близким к нулю, транзистор VT2 закрывается.
На выходе микросхемы напряжение формируется сложным инвертором, работа которого описана ниже.
Когда транзистор VT2 закрыт на базу транзистора VT3 подается высокое, а на базу транзистора VT4—низкое напряжение. Транзистор VT4 закрывается. При закрытом состоянии транзистора VT2 на базу транзистора VT3подается напряжение, почти равное напряжению источника питания. Транзистор откроется, даже если нагрузка микросхемы имеет довольно большое сопротивление. На выход будет подана логическая единица.
Когда транзистор VT2 открыт, на базу VT3 подается достаточно низкое напряжение, VT3 закрывается. При этом VT4 открывается, так как на его базу подается достаточно высокое напряжение. Коллекторное напряжение поступает на транзистор с нагрузки. На нагрузку поступает нулевое напряжение.
Из рассмотрения схемы видно, что выходное напряжение не может быть равным нулю (логический ноль) или напряжению источника питания (логическая единица). Значит, сопротивления R1…R4 должны быть рассчитаны так, что выходные напряжения в наихудших ситуациях не должны выходить за указанные ранее допуски.
Промышленность. выпускаются следующие серии ТТЛ.
133, 155 (SN74) –общего применения, стандартные;
1533—пониженного потребления ;
130, 131—высокого быстродействия;
134 –микромощные;
530,531 –с диодами Шоттки;
555 – микромощные с диодами Шоттки.
Эмттерно-связанная логика ( ЭСЛ).
Основу ЭСЛ составляют устройства на переключателях тока со связанными эмиттерами (VT2—VT3). В эмиттерной цепи обоих транзисторов установлен генератор тока, роль которого может играть сопротивление большого номинала. Назначение генератора тока заключается в том, что независимо от того, какой из транзисторов включен, или включены оба, ток определяется только генератором тока. На схеме показан базовый логический элемент ИЛИ.
На транзисторы VT1 и VT2, включенные параллельно, подаются входные сигналы Х1 и Х2.Единица на одном из входов (или на обоих) открывает соответствующий транзистор и на выход Y1 подается напряжение, соответствующее нулю. Параллельно включенные транзисторы создают схему ИЛИ. По сопротивлению R5 протекает ток, определяемый этим сопротивлением. Сопротивление R5 выбрано настолько большим, что ток, протекающий по нему, не зависит от того, сколько транзисторов включено одновременно (схема может иметь больше двух входов). В этом заключается роль генератора тока: падение напряжения на сопротивлении R5 не зависит от числа открытых входов. Как только открывается один (или несколько) из транзисторов, напряжение эмиттера транзистора VT3 поднимается на строго определенную величину. Транзистор VT3 используется для того, чтобы создать на выходе сигнал Y2, инверсный Y1. На базу транзистора VT3 подается опорное напряжение, которое создается элементами VT4, VD1, VD2, сопротивлениями R6…R8.
Когда транзисторы группы VT1 открыты, на эмиттере транзистора VT3 напряжение равно произведению тока в сопротивлении R5 на номинал этого сопротивления. Чтобы транзистор VT3 был закрыт, напряжение на базе транзистора (опорное напряжение) должно быть ниже, чем на эмиттере (например, если падение напряжения на сопротивлении равно 2,5 В, а на базе транзистора напряжение равно 2В, транзистор будет уверенно закрыт). Если же все транзисторы группы VT1 закрыты, падение напряженияна сопротивлении R5 мало и те же 2В на базе уверенно откроют транзистор. Когда транзистор VT3 открыт, по нему протекает ток, который создает падение напряжения на сопротивлении R5, которое должно быть меньше опорного напряжения. Такое состояние достигается подбором сопротивления R4. От соотношения сопротивлений R4 и R3 зависит устойчивость состояний ЭСЛ.
Сигналы Y1 и Y2 подаются на выходные усилители, в качестве которых обычно используются эмиттерные повторители, которые создают большую нагрузочную способность, малое выходное сопротивление и величину сигнала, совместимую с логическими элементами данной серии.
Микросхемы ЭСЛ имеют высокое быстродействие, сравнительно низкую стоимость, высокую помехоустойчивость, стабильность параметров при изменении температуры и напряжения питания. Недостатком является высокая потребляемая мощность. Область применения—высокопроизводительные и быстродействующие устройства вычислительной техники.
8.2.3 Логические элементы И2Л.
Элементы ТТЛ для повышения надежности срабатывания должны работать в режиме насыщения: кратковременной помехе трудно вывести транзистор из этого состояния. За счет этого элементы имеют относительно невысокое быстродействие. Для увеличения быстродействия элементы должны работать в режиме, близком к насыщению, но ненасыщенном. Но тогда падает помехозащищенность. В элементах И2Л транзисторы работают в режиме насыщения, но для быстрого вывода их из этого состояния имеется еще один электрод—инжектор, роль которого сводится к дополнительному инжектированию носителей в базу основного транзистора. В структуре, показанной на рисунке, основной транзистор образован областями n2–p2-n1, а дополнительный транзистор областями p1-n1-p2. Его коллектор называют инжектором (И). Дополнительный транзистор своим коллектором (p2) соединен с базой основного транзистора (фактически это одна область). Дополнительный транзистор работает в ключевом режиме и открывается напряжением, поступающим на базу основного транзистора. Для этого на инжектор р-типа подается положительное напряжение смещения 1…1,5 В. Чтобы выходное напряжение не зависело от количества входов, используются генераторы тока.
Достоинствами элементов И2Л является высокая степень интеграции, большое быстродействие, способность работать на малых токах (нА) при малых значениях питающих напряжений.
8.2.4 МДП и КМДП.
Технология МДП-транзисторов проще, чем технология биполярных транзисторов, плотность монтажа на кристалле может быть выше, управлять элементами удобней в связи с малыми токами. Поэтому и микросхемы средней и высокой степени интеграции создают на основе МДП-транзисторов. Чаще других используют транзисторы с индуцированным каналом. Важным обстоятельством является то, что уровни сигналов совмещаются с уровнями элементов, выполненных по другим технологиям.
Если транзисторы имеют канал p-типа, то они должны работать с источниками отрицательного напряжения, т.е. и логические сигналы должны быть отрицательными (отрицательная логика). При канале n-типа работа описывается положительной логикой. Важным качеством МДП-логики является возможность выполнять однотипные транзисторы, участвующие в работе схемы, с отличающимися параметрами. Например, можно в определенных транзисторах выполнять каналы более узкими или широкими, что делает их сопротивления отличными от сопротивлений других транзисторов, а это упрощает схему.
Для повышения быстродействия и снижения потребляемой мощности ЛЭ строятся на комплементарных транзисторах (КМДП). В этих случаях применяется положительная логика и ЛЭ получаются достаточно компактными. На рис. показана схема элемента И-Не. VT3 и VT4 –МДП –транзисторы с каналом n-типа. Транзисторы VT1 и VT2 --транзисторы с каналом p-типа. Элемент выдает на выход Y "ноль", когда оба входа Х находятся в состоянии 1. При любой другой комбинации входов на выходе состояние 1. Схема работает следующим образом. При Х1=Х2=1 транзисторы VT3 и VT4 открыты, а транзисторы VT1 и VT2 закрыты. На выходе Y напряжение близко к напряжению корпуса, т.е. состояние 0 Если на одном из входов, например, Х1, или на обоих, состояние 0, то соответствующие ему транзисторы будут в следующем состоянии: VT3 закрыт, VT2 открыт. Состояние выхода равно нулю. Интересное качество МДП-транзисторов заключается в том, что транзисторы можно включать последовательно. Это связано с тем, что в открытом состоянии их сопротивление очень мало, а в закрытом—велико. Поэтому последовательно включенный транзистор почти не влияет на работу второго.
Элемент ИЛИ-Не также выполняется на комплементарных транзисторах. В этой схеме Y=1 при Х1=Х2=0. При остальных комбинациях состояний входов Y= 0.
При Х1=Х2=0 транзисторы VT1 и VT4 закрыты, а транзисторы VT2 и VT3 открыты. На выход Y через открытые транзисторы поступает напряжение, близкое к напряжению источника питания, Y=1. Если на одном из входов, например, Х1=1, транзистор VT4 открыт, а VT3 закрыт. Независимо от состояния входа Х2 последовательное включение транзисторов VT2 и VT3 не передает на выход Y напряжения источника питания, а параллельное включение транзисторов VT1 и VT4 подключает выход Y к корпусу, т.е. состояние выхода Y=0.
Логические элементы КМДП транзисторах отличаются малым потреблением мощности, высоким быстродействием, высокой помехоустойчивостью, высокими уровнями логической единицы (близко к Е источника питания) и небольшим отличием от нуля по напряжению при логическом нуле. Недостатком является некоторое технологическое усложнение по изготовлению комплементарных МДП-транзисторов.
Логические элементы на схемах в европейских стандартах обозначаются прямоугольниками, входы слева, выходы—справа. Внутри прямоугольника указывается функция, осуществляемая элементом. Функция задается или таблицей истинности, или языком алгебры логики. Элемент НЕ называется инвертором.
Передаточная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения от входного. Если элемент многовходовой, остальные входы должны быть установлены в такие состояния, которые необходимы для передачи состояния исследуемого входа. Передаточная характеристика 
, которая называется пороговым напряжением логического нуля, выходная величина равна единице.
, которое называется пороговым напряжением логической единицы, до напряжения источника питания выходная величина равна нулю. В какой-то точке участка АВ, т.е. между двумя пороговыми напряжениями происходит переход из логической единицы в логический ноль. Точка перехода зависит от настройки логического элемента. Однако для безошибочного различения сигналов логического нуля и логической единицы при использовании логических элементов необходимо выполнять следующие соотношения, которые на графике показаны при напряжении питания 5В (для других напряжений соотношения остаются в тех же пропорциях).
из единицы в ноль и задержка распространения 
из нуля в единицу могут быть не равны друг другу. Задержка распространения измеряется на середине размаха импульса. Обычно пользуются средним арифметическим значением задержки распространения. Эта величина относится к параметрам логического элемента.
При Х1=Х2=Х3=1 все эмиттерные переходы смещены в обратном направлении. Напряжение на коллектор подается через базу транзистора VT2. Коллекторный переход транзистора VT1 открыт, и положительное напряжение подается на базу VT2; через базу VT2 протекает ток. VT2 открывается и переходит в состояние насыщения.
Основу ЭСЛ составляют устройства на переключателях тока со связанными эмиттерами (VT2—VT3). В эмиттерной цепи обоих транзисторов установлен генератор тока, роль которого может играть сопротивление большого номинала. Назначение генератора тока заключается в том, что независимо от того, какой из транзисторов включен, или включены оба, ток определяется только генератором тока. На схеме показан базовый логический элемент ИЛИ.
Для повышения быстродействия и снижения потребляемой мощности ЛЭ строятся на комплементарных транзисторах (КМДП). В этих случаях применяется положительная логика и ЛЭ получаются достаточно компактными. На рис. показана схема элемента И-Не. VT3 и VT4 –МДП –транзисторы с каналом n-типа. Транзисторы VT1 и VT2 --транзисторы с каналом p-типа. Элемент выдает на выход Y "ноль", когда оба входа Х находятся в состоянии 1. При любой другой комбинации входов на выходе состояние 1. Схема работает следующим образом. При Х1=Х2=1 транзисторы VT3 и VT4 открыты, а транзисторы VT1 и VT2 закрыты. На выходе Y напряжение близко к напряжению корпуса, т.е. состояние 0 Если на одном из входов, например, Х1, или на обоих, состояние 0, то соответствующие ему транзисторы будут в следующем состоянии: VT3 закрыт, VT2 открыт. Состояние выхода равно нулю. Интересное качество МДП-транзисторов заключается в том, что транзисторы можно включать последовательно. Это связано с тем, что в открытом состоянии их сопротивление очень мало, а в закрытом—велико. Поэтому последовательно включенный транзистор почти не влияет на работу второго.
Элемент ИЛИ-Не также выполняется на комплементарных транзисторах. В этой схеме Y=1 при Х1=Х2=0. При остальных комбинациях состояний входов Y= 0.