Необходимо остановиться на вопросе интерпретации аргументов булевых функций и самих значений функций в цифровой радиоэлектронике. В качестве информации о логическом состоянии бита в цифровой радиоэлектронике используется величина напряжения на входах / выходах логических микросхем. Таким образом, одному, часто равному 0 В, значению напряжения на входе / выходе логического элемента соответствует состояние логического нуля, другому, часто равному 5 В, значению напряжения на входе / выходе логического элемента соответствует состояние логической единицы.
Микросхемы можно подразделить по способу технологической реализации. Разделяют две большие группы технологических реализаций логических микросхем:
1. Микросхемы, выполненные с использованием биполярных транзисторов. ТТЛ - технология.
2. Микросхемы, выполненные с использованием полевых транзисторов. КМОП - технология.
Такое деление требует некоторых комментариев. Дело в том, что различные технологические реализации логических элементов не всегда могут работать в одном устройстве вместе. Такое обстоятельство обусловлено различными уровнями логических сигналов в различных типах логических микросхем. Так, в ТТЛ логике используется логические уровни нуля - 0 В, единицы - 5 в. Тогда как в КМОП логике используются логические уровни нуля - 0 В, единицы - 9 В (либо 15 В).
Таким образом, сигнал логической единицы, поданный на КМОП микросхему с ТТЛ микросхемы, не приведёт к правильному результату работы КМОП логики, поскольку КМОП микросхема воспримет этот сигнала как логический ноль, а не единицу (поскольку на входе будет сигнал, находящийся в промежутке логического нуля и единицы КМОП логики). Обратная ситуация может привести к выходу из строя ТТЛ микросхемы при подаче на её вход уровня логической единицы равный 9 В.
Кроме этого, логические элементы разных технологических исполнений требуют разного напряжения питания. Напряжения питания ТТЛ микросхем 5 В, КМОП микросхем от 9 В до 15 В. Однако, необходимо отметить, что КМОП микросхемы могут работать и при напряжении питания 5 В, но их быстродействие сильно снижается (в разы!). КМОП микросхемы и так изначально обладают меньшим быстродействием, чем ТТЛ микросхемы, а при снижении питания их быстродействие опускается до такого уровня, что применение их в паре с ТТЛ микросхемами теряет всякий смысл.
Обобщая всё вышесказанное, можно сделать вывод о том, что в цифровых устройствах предпочтительнее использовать логические элементы, реализованные на основе одной технологии. Неким стандартом «де-факто» стал стандарт реализации большинства логических устройств, работающих в вычислительной технике, на основе ТТЛ микросхем. КМОП микросхемы применяют, в основном, в устройствах не связанных с вычислительной техникой, таких как кодовые замки и прочих…. Такой подход обусловлен тем, что большинство микропроцессоров собраны именно по ТТЛ технологии и имеют уровни входных / выходных логических сигналов соответствующих входным / выходным сигналам логических микросхем, собранных по ТТЛ технологии. Хотя, стоит отметить, что, с развитием технологии производства микропроцессорной техники, логические уровни входных / выходных сигналов новых микрочипов постепенно уменьшаются. Поэтому, даже при использовании внешней ТТЛ логики часто требуются дополнительные преобразователи уровня логических сигналов для согласования микропроцессора и внешней логики.
Поскольку наш курс направлен на изучение вычислительных систем, то дальнейшее изложение будет ориентировано на логические микросхемы собранные по ТТЛ технологии.
Логические микросхемы можно подразделить на классы:
1. В зависимости от количества логических входов (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 входов).
2. В зависимости от количества логических элементов в одном корпусе (1, 2, 3, 4 элемента).
3. В зависимости от коэффициента разветвления, т.е. нагрузочной способности. Коэффициент разветвления - это число входов других логических элементов, подключаемых к выходу данного логического элемента. Стандартный коэффициент разветвления - 10. Есть логические элементы с повышенной нагрузочной способностью - 20.
4. В зависимости от наличия в логическом элементе возможности переходить в третье состояние с высоким выходным сопротивлением (Z - состояние).
5. В зависимости от типа организации выходного каскада логического элемента:
5.1. С закрытым коллектором,
5.2. С открытым коллектором.
Остановимся на рассмотрении типов организации выходных каскадов логических элементов подробнее. Ниже, на рисунке 7 приведены упрощённые принципиальные схемы каскадов с закрытым и открытым коллектором.
Выходной каскад с закрытым коллектором собран полностью внутри логического элемента (пунктирной линией обозначены границы логического элемента) и состоит из нагрузочного резистора и управляющих транзисторов VT1 и VT2. Сопротивление нагрузочного резистора не велико и служит только для стабилизации выходного тока транзистора VT2. Логические уровни на выходе такого элемента образуются следующим образом. Когда открыт транзистор VT2 и закрыт VT1, на выходе присутствует высокий потенциал +5В. Когда транзистор VT2 закрыт, а VT1 открыт, то выход оказывается соединённым с общим проводом и на выходе присутствует потенциал 0В. Таким образом, не трудно видеть, что соединять между собой выхода логических элементов, построенных по такой схеме нм в коем случае нельзя. Если вдруг на выходе одного из элементов будет единица, т.е. +5В, а на выходе другого элемента будет логический ноль, т.е. выход будет соединён с общим проводом, то произойдёт короткое замыкание и один из логических элементов выйдет из строя. Хотя возможна ситуация, когда сгорят и оба логических элемента.
Рис. 7. Принципиальные схемы выходных каскадов с закрытым и открытым коллектором
Для предотвращения подобных ситуаций, связанных с выгоранием выходов логических элементов и обеспечения возможности соединения нескольких выходов, выпускаются логические элементы, имеющие выходной каскад с открытым коллектором. На рисунке 7 показана упрощённая принципиальная схема выходного каскада логического элемента с открытым коллектором. Такой логический элемент требует внешнего нагрузочного резистора, поскольку внутри микросхемы имеется только управляющий транзистор, коллектор которого напрямую выходит наружу. Именно из-за этого обстоятельства подобный выходной каскад и получил названия каскада с открытым коллектором.
Принцип работы такого каскада прост, когда управляющий транзистор VT1 открыт, то выход оказывается соединённым с общим проводом. Однако, в отличие от предыдущего случая логики с закрытым коллектором, ничего не перегорает, поскольку внешний нагрузочный резистор выбран таким, чтобы ток короткого замыкания был не опасным для управляющего транзистора VT1. Таким образом, при открытом транзисторе VT1, на выходе логический ноль с потенциалом 0В. Когда транзистор VT1 закрыт, на выходе логического элемента логическая единица с потенциалом +5В. Такой потенциал будет присутствовать на выходе потому, что, из-за отсутствия нагрузочного тока, падение напряжения на нагрузочном резисторе практически отсутствует.
На принципиальных схемах элементы с открытым коллектором обозначают с помощью следующего символа: .
Применение логических элементов с открытым коллектором даёт некоторые дополнительные возможности в организации логических структур. Так, объединение выходов двух логических элементов с открытым коллектором, даёт дополнительную выходную логику, которую называют «конструктивное» или «монтажное» ИЛИ. На рисунке 8 приведена упрощённая схема подобного включения логических элементов с открытым коллектором.
Рис. 8. Включение двух логических элементов с открытым коллектором
На выходе такого каскада будет логическая единица, если оба управляющих транзистора будут закрыты и ноль, если хоть один из транзисторов будет открыт.
Далее остановимся на логических элементах с тремя состояниями выхода. Логические элементы с тремя состояниями выхода позволяет соединять выходы микросхем с закрытым коллектором между собой. Выход из строя таких микросхем предотвращается тем обстоятельством, что, когда один логический элемент активен, т.е. имеет на выходе логический уровень нуля или единицы, второй логический элемент, подключенный своим выходом к выходу первого логического элемента, находится в неактивном третьем высокоомном состоянии. Высокоомное состояние выхода логического элемента эквивалентно физическому разрыву между действительным выходом логической микросхемы (её выводом) и электронной схемы, находящейся у неё внутри. Таким образом, появляется возможность использовать несколько источников аргументов для реализации логических функций, т.е. подключать несколько логических элементов к входу одного логического элемента. Подобная схема может иметь следующий вид (см. рис. 9).
Рис. 9. Логическое устройство с применением логических элементов с тремя состояниями выходов
Рассмотрим подробнее специфику работы подобной схемы. Из рисунка 9 видно, что на логическом элементе DD4 собираются сигналы, приходящие с элементов DD1, DD2 и DD3. Причём, выходы элементов DD2 и DD3 замкнуты между собой. Чтобы предотвратить выход из строя этих элементов, в каждый момент времени должен работать только один из этих элементов. Для обеспечения такой возможности в схеме применены элементы с тремя состояниями выходов. Управление режимом работы логического элемента, при котором он переходит в высокоомное состояние, производится с помощью сигналов OE, приходящих на элементы DD2, DD3. Причём, необходимо отметить, что разрешение работы элемента DD2, которое устанавливается подачей на вход ОЕ нулевого потенциала, должно устанавливаться при условии, что работа элемента DD3 запрещена и наоборот. В таком режиме работы, схема будет работать правильно и, в каждый момент времени, к входу Х2 логического элемента DD4 будет подключен либо выход элемента DD2, либо выход элемента DD3.
Логические элементы, выходы которых имеют три состояния, на принципиальных схемах обозначают с помощью следующего знака: .
И, наконец, прежде чем перейти к более подробному рассмотрению особенностей применения логических элементов, перечислим наиболее популярные серии логических микросхем.
Элементы «И» присутствуют в следующих популярных сериях логических микросхем К155, 555, 1533, 1531. Наименование микросхем в сериях одинаковое - ЛИ...
Элементы «ИЛИ» присутствуют в следующих популярных сериях логических микросхем К155, 555, 1533, 1531. Наименование микросхем в сериях одинаковое - ЛЛ...
Элементы «НЕ» присутствуют в следующих популярных сериях логических микросхем К155, 555, 1533, 1531. Наименование микросхем в сериях одинаковое - ЛН...
Элементы «И-НЕ» присутствуют в следующих популярных сериях логических микросхем К155, 555, 1533, 1531. Наименование микросхем в сериях одинаковое - ЛА…
Элементы «ИЛИ-НЕ» присутствуют в следующих популярных сериях логических микросхем К155, 555, 1533, 1531. Наименование микросхем в сериях одинаковое - ЛЕ...
Элементы «Исключающее ИЛИ» присутствуют в следующих популярных сериях логических микросхем К155, 555, 1533, 1531. Наименование микросхем в сериях одинаковое - ЛП...
.
.