Логические элементы

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации – вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения.

Логическая операция преобразует по определенным правилам входную информацию в выходную. Логические элементы чаще всего строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: “0” (логический нуль) и “1” (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

- логическое сложение (дизъюнкцию), или операцию ИЛИ, обозначаемую знаками “+” или :

;

- логическое умножение (конъюнкцию), или операцию И, обозначаемую знаками

“ · ”, или написанием переменных рядом без знаков разделения:

;

- логическое отрицание (инверсию), или операцию НЕ, обозначаемую чертой над переменной:

.

Правила выполнения логических операций над двоичными переменными для случая двух переменных имеют следующий вид:

Операция ИЛИ Операция И Операция НЕ

0+0=0

0+1=1

1+0=1

1+1=1

Самостоятельное значение имеет логическая операция ЗАПРЕТ, которая символически записывается в виде

.

Логические элементы, реализующие операцию ИЛИ, называют элементами ИЛИ и обозначают на функциональных схемах, как показано на рис. 3.21, а. Выходной сигнал F элемента ИЛИ равен единице, если хотя бы на один из n входов подан сигнал “1”.

Логические элементы, реализующие операцию И, называют элементамиИ либо схемами совпадения и обозначают, как показано на рис. 3.21, б.

Выходной сигнал F элемента И равен единице, если одновременно на все n входов подан сигнал “1”.

Операция НЕ реализуется логическим элементомНЕ или инвертором, обозначение которого приведено на рис. 3.21, в. Логический элемент ЗАПРЕТ имеет в простейшем случае лишь два входа: разрешающий (вход )

Рис. 3.21. Условные обозначения основных логических элементов.

и запрещающий (вход ). Выходной сигнал повторяет сигнал на разрешающем входе , если . При на выходе возникает сигнал “0” независимо от значения . Стандартное условное обозначение элемента ЗАПРЕТ приведено на рис. 3.21,г.

Помимо рассмотренных логических элементов на практике широко применяют комбинированные элементы, реализующие две (и более) логические операции, например элементыИ - НЕ (рис.3.21, д), ИЛИ - НЕ (рис. 3.21,е). Первый из них выполняет операцию , а второй – операцию .

Логические элементы обычно выполняют на интегральных микросхемах.

В зависимости от вида используемых сигналов логические элементы подразделяют на потенциальные и импульсные. В потенциальных элементах логические “0” и “1” представляются двумя разными уровнями электрического потенциала, а в импульсных элементах – наличием или отсутствием перепада напряжения от низкого уровня к высокому и наоборот. Наибольшее распространение получили потенциальные элементы.

Простейшие логические элементы И и ИЛИ могут быть построены на основе диодных ключей. В качестве элемента НЕ обычно используют транзисторный ключ (см. рис. 3.13, а), обладающий инвертирующими свойствами.

На рис.3.22 приведена схема элемента из диодных ключей, который, может быть использован в качестве логического элемента ИЛИ или И в зависимости от включения и кодирования сигналов.

При включении по схеме рис. 3.23, а элемент из диодных ключей служит элементом ИЛИ, если кодирование сигналов соответствует рис. 3.23,б. Действительно, при воздействии сигнала “1” (-Е) хотя бы на один вход (например, ) открывается соответствующий диод (Д1) и выход соединяется со входом (F=1). Остальные диоды закрыты, т.е. выходной сигнал не попадает на входы, на которых .

Для получения логического элемента И диоды включают по схеме рис. 3.24, а, если кодирование сигналов соответствует рис. 3.24, б. Действительно, при сигнале “0” на всех входах все диоды открыты, в них и в резисторе R появляются токи, создаваемые источником э. д. с. Е1 и замыкающие

Рис. 3.22. Схема элемента из диодных ключей.

Рис. 3.23. Включение элемента рис. 3.22 по схеме логического элемента ИЛИ (а) и кодирование его сигналов (б).

через источники сигналов, подключенные ко всем входам. Поскольку сопротивление резистора R значительно больше прямого сопротивления диодов, напряжение на нем приблизительно равно Е, а напряжение на выходе оказывается близким к нулю.

Если напряжение на одном из входов соответствует логической “1” (Е>Е1), то соответствующий диод закрывается, однако остальные диоды открыты и на входе по-прежнему остается сигнал ”0”. Сигнал “1” появится на выходе только тогда, когда на все входы будет воздействовать сигнал “1”, все диоды окажутся закрытыми, ток через резистор будет равен нулю и .

Чтобы получить логический элемент И – НЕ, к элементу по схеме рис. 3.22 добавляют инвертор на транзисторе (рис.3.25). Операция И осуществляется диодной частью схемы (Д1 – Д4, R1), а транзисторный каскад с общим эмиттером служит инвертором. Для связи логического элемента И с инвертором служат последовательно включенные диоды Д5, Д6, обеспечивающие надежное запирание транзистора при невысоком, но положительном потенциале точки А, соответствующем логическому “0” элемента И. Потенциал базы транзистора в этом случае ниже потенциала точки А на сумму прямых напряжений диодов Д5, Д6 и достаточен для запирания транзистора.

Рис. 3.24. Включение элемента рис. 3.22 по схеме логического элемента И (а) и кодирование его сигналов (б).

Рис. 3.25. Схема ДТЛ-элемента И – НЕ с простым инвертором.

Микросхема осуществляет операцию И – НЕ при кодировании, показанном на рис. 3.24, б. Действительно, при сигнале “0” на всех входах все диоды открыты, потенциал точки А близок к нулю. Транзистор закрыт, на входе потенциал близок к +Е (сигнал “1”). Потенциал точки А и выходной сигнал не изменяются до тех пор, пока на все входы не будет подан сигнал “1”. Тогда диоды Д1 – Д4 закроются, потенциал точки А повысится, транзистор перейдет в режим насыщения, а на выходе потенциал понизится до значения “0”.

Элемент И – НЕ по схеме рис. 3.25 относится к так называемым ДТЛ-элементам (диодно-транзисторная логика). Современные логические элементы выполняются в виде интегральных микросхем и входят в состав серий микросхем – совокупностей типов микросхем, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Например, на основе схемы рис. 3.25 построены элементы И –НЕ серии 156 ДТЛ-типа. Так, микросхема 1ЛБ566А представляет собой мощный элемент 4И – НЕ и отличается от схемы рис. 3.25 более сложным инвертором (на четырех транзисторах) и отсутствием диодов Д5, Д6.

Более высоким быстродействием по сравнению с ДТЛ-элементами обладают ТТЛ-элементы (транзисторно-транзисторная логика).

На рис. 3.26 приведена схема ТТЛ-элемента И – НЕ с простым инвертором. Операция И реализуется здесь многоэмиттерным транзистором Т1, а транзистор Т2 служит в качестве инвертора. Многоэмиттерные транзисторы легко реализуются в интегральной технологии и служат основой ТТЛ-элементов. Если на всех входах (эмиттерах транзистора Т1) действует сигнал “1” (высокий потенциал), то все переходы эмиттер – база транзистора Т1 закрыты. Потенциал базы транзистора Т2 близок к нулю, а переход коллектор – база транзистора Т1 открыт приложенным в прямом направлении напряжением источника +Е. Ток коллекторного перехода транзистора Т1 проходит через переход эмиттер – база транзистора Т2, переводя его в режим насыщения, а на выходе появляется сигнал “0” (низкий потенциал). Если на одном из входов появится сигнал “0”, то соответствующий переход эмиттер – база транзистора Т1 откроется и его базовый ток перебросится из коллекторной цепи в эмиттерную.

В результате транзистор Т2 закроется и на выходе появится высокий потенциал (“1”). Таким образом, сигнал “0” может быть на выходе только при сигналах “1” на всех входах, что соответствует операции И – НЕ.

На практике используют ТТЛ-элементы со сложным инвертором, позволяющим увеличить нагрузочную способность элемента. На рис. 3.27 приведена схема такого элемента И – НЕ. Транзистор Т3 выполняет функции эмиттерного повторителя с нагрузкой в виде транзистора Т4. При воздействии сигнала “1” на все входы транзистор Т2 насыщен, как показано ранее. Следовательно, транзистор Т4 также насыщен из-за высокого потенциала на его входе (точка а), создаваемого эмиттерным током транзистора Т2 на резисторе R3. Благодаря низкому потенциалу коллектора транзистора Т2 (точка б)

Рис. 3.26. Схема ТТЛ-элемента И – НЕ с простым инвертором.

транзистор Т3 закрыт. При воздействии сигнала “0” хотя бы на один из входов транзистор Т2 закрывается, а транзистор Т3 открывается из-за повышения потенциала точки б и работает как эмиттерный повторитель. Диод Д служит для обеспечения режима смещения транзистора Т3 , т.е. для того, чтобы этот транзистор был закрыт при насыщенном транзисторе Т2. Прямое напряжение на диоде Д составляет около 0,5 В и служит для запирания транзистора Т3. Это напряжение создается даже при очень малых (порядка микроампер) токах закрытого транзистора Т3.

По схеме рис.3.27 построен элемент И – НЕ 1ЛБ344А серии 134. Незначительно отличаются схемы элементов И – НЕ распространенных серий 133 и 155.

Логические элементы на МОП-транзисторах обладают малой мощностью потребления и большим входным сопротивлением. Н рис. 3.28 приведена схема МОП-элемента ИЛИ – НЕ, выполненного на транзисторах с каналом n-типа. Здесь транзистор Т4 играет роль нагрузочного резистора, включенного в общей стоковой цепи транзисторов Т1, Т2 и Т3. При сигнале “0” (низкий уровень) на входах все транзисторы закрыты и на выходе действует сигнал “1” (потенциал +Е). Если хотя бы на одном из входов действует сигнал “1”, соответствующий транзистор переходит в режим насыщения и на выходе появляется “0”.

Еще более экономичны логические КМОП-элементы (здесь К – начальная буква в слове “комплементарный” – “дополнительный”). В них используются пары МОП-транзисторов с каналами разных типов (p и n), включенных последовательно с источником питания. При этом затворы парных (комплементарных) транзисторов объединяются. В результате при любом входном сигнале (‘0” или ‘1”) один из транзисторов открыт,а другой закрыт и

Рис. 3.25. Схема ТТЛ-элемента И – НЕ со сложным инвертором.

ток от источника не отбирается. Ток потребляется только в момент переключения, чем и достигается высокая экономичность. На рис. 3.29 приведена схема инвертора типа КМОП. При (“0”) открыт p-канальный МОП-транзистор Т2, n-канальный транзистор Т1 закрыт , а (‘1”). Если , то транзистор Т2 закрыт, а транзистор Т1 открыт и .

На рис. 3.30 приведена схема КМОП-элемента ИЛИ –НЕ, состоящая из двух пар транзисторов: Т1 и , Т2 и . При n-канальные транзисторы Т1 , Т2 закрыты , а p- канальные транзисторы и открыты и (“1”). Если , а , то транзистор Т1 открыт, транзистор закрыт, транзистор Т2 закрыт, транзистор открыт и , т.е. схема реализует операцию ИЛИ – НЕ. По схеме рис. 3.29 построен, например элемент 4ИЛИ – НЕ К176ЛЕ5 серии 176.

КМОП-элементы состоят только из МОП-транзисторов, что делает их весьма технологичными, поэтому они широко применяются в больших интегральных схемах (БИС). Напряжение питания КМОП-элементов может быть установлено любым в пределах от 3 до 15В. Недостаток КМОП-элементов (так же как и МОП-элементов) – сравнительно невысокое быстродействие.

Помимо рассмотренных существуют логические элементы других типов, например ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), (интегрально-инжекционная логика), обладающие высоким быстродействием.

Рис. 3.28 Схема МОП-элемента ИЛИ – НЕ на транзисторах с индуцированным каналом n-типа.

Рис. 3.29. Схема КМОП- Рис. 3.30. Схема КМОП-элемента

Элемента НЕ. ИЛИ – НЕ.