Простейшим логическим элементом является инвертор, который просто изменяет значение входного сигнала на прямо противоположное значение. Его функция записывается в следующем виде:
,
где черта над входным значением обозначает изменение его значения на противоположное. То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 2.1. Так как вход у этого логического элемента только один, то его таблица истинности состоит только из двух строк.
В качестве инвертора в простейшем случае можно использовать обычный усилитель с транзистором, включенном по схеме с общим эмиттером или истоком. Схема усилителя, выполненная на биполярном n-p-n транзисторе и позволяющая реализовать функцию логического инвертирования, приведена на рисунке 2.1.
Схемы инверторов могут обладать различным временем распространения сигнала и могут работать на различные виды нагрузки. Они могут быть выполнены на одном или на нескольких транзисторах, но независимо от схемы и её параметров они осуществляют одну и ту же логическую функцию.
Для того чтобы особенности включения транзисторов не затеняли выполняемую функцию, для цифровых микросхем введены специальные условно-графические обозначения. Условно-графическое изображение инвертора приведено на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Условно-графическое изображение логического инвертора
2.2 Функция "И", логическое умножение
Следующим простейшим логическим элементом является схема, реализующая операцию логического умножения "И":
F(x1, x2) = x1^x2 ,
где символ ^ обозначает функцию логического умножения (конъюнкцию). Иногда эта же функция записывается в другом виде:
F(x1, x2) = x1^x2 = x1× x2 = x1&x2
То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 2.2. В формуле, приведенной выше, использовано два аргумента. Поэтому элемент, выполняющий эту функцию, имеет два входа. Такой элемент обозначается "2И". Для элемента “2И” таблица истинности будет состоять из четырех строк. Количество строк таблицы истинности можно определить по формуле , где N — это количество строк в таблице истинности, а n — количество входов логического элемента. В нашем случае N = 22 = 4.
Как видно из приведённой таблицы истинности активный сигнал на выходе этого логического элемента появляется только тогда,когда и на входе x1 и на входе x2 будут присутствовать логические единицы. То есть этот логический элемент действительно реализует операцию "И".
Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию "2И", на принципиальных схемах приведено на рисунке 2.3, и с этого момента схемы, выполняющие функцию "И", будут приводиться именно в таком виде. Это изображение не зависит от конкретной принципиальной схемы устройства, реализующей функцию логического умножения.
Рисунок 2.3 – Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию "2И"
Проще всего понять, как работает такой элемент при помощи схемы, построенной на идеализированных ключах с электронным управлением, как это показано на рисунке 2.4. В приведённой схеме ток будет протекать только тогда, когда оба ключа будут замкнуты, а значит, единичный уровень на выходе схемы появится только при подаче на ее вход двух логических единиц.
Аналогично описывается и функция логического умножения трёх переменных:
F(x1, x2, x3) = x1^x2^x3
Её таблица истинности будет содержать уже восемь строк (23 = 4). Таблица истинности трехвходовой схемы логического умножения "3И" приведена в таблице 2.3, а условно-графическое изображение этого логического элемента на рисунке 2.5. При этом в схеме, построенной по принципу схемы, приведённой на рисунке 2.4, добавляется третий ключ.
Рисунок 2.5 – Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию "3И"
2.3 Функция "ИЛИ", логическое сложение
Следующим простейшим элементом является схема, реализующая операцию логического умножения "ИЛИ":
F(x1, x2) = x1 Ú x2 ,
где символ Ú обозначает функцию логического сложения (дизъюнкцию). Иногда эта же функция записывается в другом виде:
F(x1, x2) = x1 Ú x2 = x1 + x2 = x1 | x2
То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 2.4. В формуле, приведенной выше, использовано два аргумента. Поэтому элемент, выполняющий эту функцию, имеет два входа. Такой элемент обозначается "2ИЛИ". Для элемента "2ИЛИ" таблица истинности будет состоять из четырех строк (22 = 4).
Как и в случае, рассмотренном для схемы логического умножения, воспользуемся для реализации схемы логического элемента "2ИЛИ" идеализированными ключами с электронным управлением. На этот раз соединим ключи параллельно. Эквивалентная схема, реализующая таблицу истинности 2.4, приведена на рисунке 2.6. Как видно из приведённой схемы, уровень логической единицы появится на её выходе, как только будет замкнут любой из ключей.
Так как функция логического суммирования может быть реализована устройствами, собранными по разным принципиальным схемам, то для обозначения этой функции используется свое условно-графическое обозначение. На условно-графическом изображении логического элемента "ИЛИ" используется специальный символ "1", как это приведено на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 – Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ"
Подобным образом описывается и функция логического сложения трёх переменных:
F(x1, x2) = x1 Ú x2 Ú x3
Её таблица истинности будет содержать уже восемь строк (23=4). Таблица истинности трёхвходовой схемы логического умножения "3ИЛИ" приведена в таблице 1.5, а условно-графическое изображение на рисунке 2.8. В схеме, построенной по принципу схемы, приведённой на рисунке 2.6, придётся добавить третий ключ.
Рисунок 2.8 – Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию "3ИЛИ"
Теперь, после того, как мы рассмотрели принципы построения логических элементов, можно подробно остановиться на особенностях реализации логических элементов в различных схемотехнических решениях.
,
, где N — это количество строк в таблице истинности, а n — количество входов логического элемента. В нашем случае N = 22 = 4.
