Базовые логические элементы

Схемы, преобразующие цифровой сигнал в соответствии с одной из основных операций булевой алгебры, называются базовыми, элементарными или просто логическими элементами (БЛЭ).

БЛЭ имеют названия по имени той операции, которую они выполняют: элемент И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ. Последние два элемента называются универсальными, так как с их использованием можно выполнить любую из трех основных операций булевой алгебры.

В отечественной литературе БЛЭ изображаются прямоугольником, в верхней части которого указывается символ операции: & (амперсанд) для И, >=1 – для ИЛИ.

Входы БЛЭ показывают с левой стороны прямоугольника, выходы – с правой. Инверсия результата обозначается небольшим кружком у выходной линии.

Сравнение выражений (1) и (2) показывает, что -разрядный цифровой сигнал на входной шине БЛЭ можно описать математически, как булевых переменных. Поэтому на входах элементов указываются булевы переменные , а на выходе – соответствующая элементу булева функция.

Названия и графическое изображение пяти БЛЭ приведены на рис.2.

Рис.2. Графическое изображение базовых логических элементов

Различные БЛЭ выполняются промышленностью в виде интегральных схем.

Принципиальные схемы БЛЭ, выполняющих одну и ту же функцию, различны в зависимости от того, на каких пассивных и активных элементах (резисторах, диодах и транзисторах) они собраны. Однако эти схемы всегда содержат электронные ключи на полупроводниковых диодах и транзисторах.

В связи с используемой элементной базой можно выделить несколько серий базовыхлогических элементов (логик).

ДТЛ – диодно-транзисторная логика;

ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика на биполярных транзисторах;

МОП-логика, где используются ключевые свойства полевых МОП-транзисторов;

– другие логики.

Логические элементы разных логик отличаются основными параметрами, к которым относятся:

¾ напряжение питания электрических схем;

¾ логические уровни цифрового сигнала (значение напряжений лог.0 и лог.1) и их допустимые изменения, обеспечивающие помехозащищенность схем при передаче цифровой информации;

¾ быстродействие – время задержки между сменой входного и выходного сигналов;

¾ потребляемая мощность.

В качестве примера рассмотрим принципиальную схему двухвходового элемента И-НЕ ДТЛ логики, приведенную на рис.3. Схема содержит транзисторный ключ на транзисторе VT, работа которого была рассмотрена в описании «Мультивибратор на транзисторах» и описывается таблицей 5, совпадающей с таблицей истинности базового элемента НЕ (см. пятый столбец таблицы 3).

Напряжение на базе транзистора , переводящее транзисторный ключ в режим замыкания и размыкания, в схеме рис.3 определяется напряжением на параллельном соединении трех участков электрической цепи между точками А и «землей», а именно, .

Каждый из этих участков содержит диод VD1,VD2 или VD3, при этом первые два диода работают в ключевом режиме. Напомним, что при положительном напряжении на диоде ( >0) диодный ключ замкнут, а при – разомкнут (см. «Выпрямление»).

Рис.3. Схема двухвходового элемента И-НЕ ДТЛ-логики

Разряды двоичного цифрового сигнала и поступают в цепи с диодами VD1 и VD2, соответственно, то есть замыкают или размыкают эти диодные ключи.

Рассмотрим работу схемы для четырех возможных комбинаций разрядов входного сигнала и результат оформим в виде таблицы 6.

Если на оба входа схемы приходит низкий уровень напряжения, близкий к нулю, ( и ), то потенциалы точек В1 и В2 схемы близки к нулю и напряжения на обоих диодах положительны. Оба диодных ключа замкнуты, то есть напряжение 0.

В этом случае напряжение на базе транзистора тоже близко к нулю и согласно табл. 5 транзисторный ключ разомкнут, то есть напряжение на выходе схемы близко к напряжению источника питания (первая строка табл. 6).

Таблица 6

		Ключ на VD1	Ключ на VD2			Ключ на VT
		замкнут	замкнут			разомкнут
		замкнут	разомкнут			разомкнут
		разомкнут	замкнут			разомкнут
		разомкнут	разомкнут		>	замкнут

Если низкий уровень напряжения приходит только на один из входов схемы ( = 0, = 1, или наоборот), то замыкается один соответствующий диодный ключ. Однако это все равно приводит к короткому замыканию параллельного соединения трех ветвей цепи и опять , а (вторая и третья строки таблицы 6).

Только в одном случае, когда на оба входа схемы приходит высокий уровень напряжения, близкий к Е, ( =1 и =1), потенциалы точек В1 и В2 примерно равны Е, а напряжения на обоих диодах близки к нулю, то есть оба диодные ключи разомкнуты.

В этом случае напряжение на базе транзистора, равное, > , замыкает транзисторный ключ и напряжение на выходе схемы (четвертая строка табл. 6).

Сравнение первого, второго и последнего столбцов таблицы 6 с таблицей истинности двухвходового БЛЭ И-НЕ в табл.3 показывает, что схема выполняет логическую операцию И-НЕ.