ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

Физ. устройства, реализующие функции матем. логики. Л. с. подразделяют на 2 класса: комбинационные схемы (Л. с. без памяти) и послед овател ьностные схемы (Л. с. с памятью). Л. с. являются основой любых систем (различных назначений и физ. природы) обработки дискретной информации. Л. с. может быть представлена в виде многополюсника (рис. 1), на к-рый поступает п входных сигналов и с к-рого снимается т выходных сигналов. При этом как независимые (логические) переменные Х 1 ,......, Х n , так и ф-ции Y 1 ,..., Y n , также наз. логическими, могут принимать к.-л. значения только из одного и того же конечного множества значений.

Наиб. распространены т. н. двоичные Л. с., для к-рых всё сигналов ограничено двумя значениями, отмечаемыми символами 1 и 0 и подчиняющимися условию: a =1, если и а =0, если Для представления чисел с помощью двоичных переменных 0 и 1 чаще всего применяют т. н. позиционный двоичный код, в к-ром разряды двоичного числа расставлены по степеням числа 2:

Напр., двоичное число 1101 2 =1*8+1*4+0*2+1*1 = 13. Поэтому при описании работы Л. с. необходимо различать, выступает данный в качестве числа или в качестве логич. переменной.

Для описания работы Л. с. используют табличный или аналитич. способы. В первом случае строят т. н. таблицу истинности, в к-рой приводятся все возможные сочетания входных сигналов (аргументов) и соответствующие им значения выходных сигналов (логич. ф-ций). В двоичной логике число разл. сочетаний из п аргументов равно 2 n , а число логических ф-ций Логич. ф-ции одного и двух независимых аргументбв, т. н. элементарные логич. ф-ции, приведены в табл. 1.

	Функции (операции)	Аргументы:	Выражение через 3 осн. операции	Название логич. ф-ций
		X 1 0 0 1 1 Х 2 0 1 0 1
				константа нуль
				конъюнкция (операция И)
				запрет по Х 2
				тождественность X 1
				запрет по X 1
				тождественность X 2
				сумма по модулю два
				дизъюнкция (операция ИЛИ)
				стрелка Пирса (операция ИЛИ -НЕ)
				равнозначность
				отрицание Х 2 (операция НЕ)
				импликация от X 2 к X 1
				отрицание Х 1 (операция НЕ)
				импликация от X 1 к X 2
				штрих Шеффера (операция И - НЕ)
				константа единица

Для всех ф-ций приведены таблицы истинности (столбец 2). При аналитич. описании работы Л. с. используют спец. символы, обозначающие нек-рые логич. операции (столбец 1). Так, черта над переменной обозначает логич. операцию НЕ (логич. отрицание или инверсия), символ - логич. операцию ИЛИ (логич. сложение или дизъюнкция), символ умножения (точка) - логич. операцию И (логич. умножение или конъюнкция). Три перечисленные ф-ции часто наз. основными, т. к. они в совокупности составляют функционально полную систему, с помощью к-рой можно выразить любую другую логич. ф-цию, как это показано в столбце 3 таблицы. Вообще же функциональной полнотой обладают мн. системы ф-ций, в частности каждая из ф-ций И-НЕ или ИЛИ-НЕ .

В табл. 1 приведены все ф-ции одного и двух аргументов; нек-рые из этих ф-ций могут быть распространены и на те случаи, когда число переменных больше двух. Напр., справедливы равенства

Логические . Л. с., выполняющая одну из элементарных логич. операций, наз. логич. элементом (ЛЭ). ЛЭ имеет один или неск. входов, на к-рые поступают сигналы X i , и один выход. При этом выходной сигнал Y элемента не должен оказывать обратного воздействия на входной сигнал (однонаправленность ЛЭ). ЛЭ изображают прямоугольником, в верхней части к-рого обозначают символ операции. Входы показывают с левой стороны прямоугольника, выходы с правой. Операцию инверсии отмечают кружком у соответствующего выхода (рис. 2). Л. с. любой сложности можно построить из любого функционально полного набора ЛЭ путём соединения выходов одних элементов со входами других. Напр., для осуществления логич. операции

Суммирование по модулю два (строка У 6 в табл. 1) можно собрать схему, состоящую из 5 элементов, выполняющих операции НЕ, ИЛИ и И (рис. 3). К ЛЭ предъявляется комплекс требований, нередко имеющих взаимоисключающий характер, напр. большое быстродействие и малое энергопотребление, высокая надёжность и низкая себестоимость, небольшие габариты и и высокая технологичность произ-ва. Из всех возможных разновидностей ЛЭ (электромеха-нич., пневматич., электронных, оптич. и т. п.) совокупности всех требований наилучшим образом удовлетворяют полупроводниковые элементы, т. н. логич. (цифровые) полупроводниковые интегр. микросхемы, ИМС (см. Цифровые устройства, ). Простейшим ЛЭ является инвертор, к-рый может быть реализован на однотранзисторном усилит. каскаде, работающем в режиме электронного ключа (рис. 4, а). Если на вход этого усилителя подать достаточно высокое положит. (логич. сигнал 1), то откроется и напряжение на его выходе упадёт (логич. сигнал 0). И наоборот, при низком уровне входного сигнала транзистор будет заперт и напряжение на его выходе будет максимальным (логич. сигнал 1). Простейший элемент типа И-НЕ (рис. 4, б )получится при добавлении к инвертору на транзисторе входной логич. схемы И на многоэмиттерном транзисторе Т 1 . (см. Транзистор биполярный). Если на все входы транзистора Т 1 . поданы сигналы высокого уровня, то соответствующие базовые переходы Т 1 . будут закрыты. Тогда , протекающий через резистор R 1 и два последовательно включённых перехода транзисторов Т 1 . (база - коллектор) и Т 2 (база-эмиттер), открывает выходный транзистор Т 2 . Если же на один или несколько входов X i подано низкое напряжение (логич. 0), то открываются соответствующие переходы эмиттер-база транзистора Т 1 . При этом практически весь ток, текущий через R 1 пойдёт через открытый эмиттерный переход, т. к. его сопротивление значительно меньше сопротивления двух последовательно включённых переходов, и транзистор Т 2 окажется запертым. Широкое применение находят и др. типы ИМС. Это вызвано тем, что схемные и технологич. особенности определяют, как минимум, 2 самых важных параметра логич. микросхем: быстродействие и потребляемую (для совр. ЛЭ в интегр. исполнении переключения из одного в др., т, е. быстродействие ЛЭ, составляет от 50 до 0,2 нc при потребляемой мощности от 0,001 до 40 мВт). Эти параметры противоречивы, и в рамках одной технологии при улучшении одного неизбежно ухудшается другой, в связи с чем общее число типов ИМС, имеющих разл. сочетание осн. параметров и выполненных по разным технологиям, непрерывно расширяется.

Из ЛЭ разл. типа собирают более сложные функционально законченные устройства (операц. элементы, ОЭ), выполняющие определённые (не элементарные) логич. операции над входными сигналами и строящиеся по комбинационной и последовательностной схемам.

Комбинационные схемы - Л. с. без запоминания переменных - схемы, в к-рых в любой момент времени значения выходных сигналов однозначно определяются значениями входных сигналов X i . Наиб. распространёнными типами комбинац. схем являются ЛЭ (простейшие комбинац. схемы) и ОЭ . типов: кодов (шифраторы и дешифраторы), коммутаторы (мультиплексоры и демультиплексоры), ариметич. устройства (компараторы, сумматоры и пр.).

Шифратор (кодировщик) - ОЭ, преобразующий единичный сигнал на одном из п входов в m -разрядный выходной код. Напр., на пульте ввода информации имеется 10 клавиш с номерами i=0, 1, ..., 9. При нажатии i -й клавиши на вход шифратора подаётся единичный сигнал X i . На выходе шифратора должны появиться сигналы, отображающие двоичный код (Y 3 , . . ., Y 0) входного сигнала X/. Как видно из таблицы истинности шифратора (табл. 2), в этом случае нужна комбинац. схема с десятью входами и четырьмя выходами. На выходе Y 0 единица появляется при нажатии любой нечётной клавиши, т. е. Y 0 = Для остальных выходов логич. ф-ции имеют вид

Следовательно, для реализации шифратора необходимы четыре элемента ИЛИ: пятивходовый, два четырёхвходовых и двухвходовый. Схема шифратора и его условно-графич. обозначение показаны на рис. 5, а, б.

Дешифратор (декодировщик) - ОЭ, преобразующий n -разрядный входной код в сигнал только на одном из своих m выходов. Дешифратор двоичного n -разрядного кода имеет 2 n выходов. Таблицу истинности дешифратора, переводящего двоичный код в десятичное число (код "1 из 10"), можно получить из табл. 2, взаимно поменяв в ней местами входные и выходные переменные. По таблице истинности составляются логич. ф-ции и схема дешифратора. условно-графич. обозначения дешифратора трёхразрядного двоичного кода в код "1 из 8" см. на рис. 6.

Мультиплексор - ОЭ, осуществляющий адресное переключение заданного числа входных сигналов на один выход. Мультиплексор имеет два вида входов: информационные (Х 0 , ..., Х n ) и адресные (А 0 , ..., А m ). Выбор информац. линия производится кодом, поступающим на адресные входы. Поэтому на выход устройства передаются сигналы с того информац. входа X i , номер к-рого соответствует двоичному коду на адресных входах А т, ...., А 0 . Схему и условно-графич. обозначение мультиплексора на четыре входа см. на рис. 7. Из схемы следует, что

Для увеличения числа информац. входов необходимо увеличивать число адресных входов, т. к. п=2 т.

Демультиплексор - ОЭ, осуществляющий адресное подключение одного входного сигнала X к одному из множества выходов Y 0 , . . ., Y n . Сигнал X, поступающий на информац. вход, передаётся на тот выход Y i , номер к-рого задан адресными сигналами А m , . . ., А 0 . Логика выбора адреса в демультиплексоре такая же, как и в мультиплексоре. Схему и условно-графич. обозначение демультиплексора на 4 выхода см. на рис. 8.

Компаратор - ОЭ, производящий сравнение двух чисел А и В. Результат сравнения отображается единичным логич. уровнем на одном из трёх выходов компаратора Y A=B , Y Y Таблица истинности одноразрядного компаратора весьма проста (табл. 3). По ней легко составить логич. ф-ции

и схему данного устройства (рис. 9).

Сумматор - ОЭ, выполняющий операцию сложения неск. чисел. Двоичный сумматор является достаточно универсальным элементом и используется также при выполнении операций вычитания, умножения и деления. При сложении двух многоразрядных двоичных чисел в каждом i -м разряде находится сумма трёх чисел по модулю два (А i , В i ) и , поступившего из младшего разряда - P i- 1 ), и формируется сигнал переноса в старший разряд - Р i . По таблице истинности одноразрядного сумматора (табл. 4) составляют логич. ф-ции для выходных величин:

По этим ф-циям строят схему сумматора (рис. 10) на двух элементах СУММА ПО МОДУЛЮ 2, трёх элементах И и одном элементе ИЛИ. Для сложения многоразрядных чисел используют многоразрядные сумматоры, к-рые в простейшем случае получают последоват. соединением одноразрядных сумматоров (рис. 11).

Таб л. 2

	Входы (десятичное число X i )	Выходы (двоичный

		Выходы

				Выходы
	слагаемые		перенос		перенос
	А i	в i	P i -l		Р i

Рассмотренный способ реализации разл. комбинац. схем на основе ЛЭ не является единственно возможным.

Для этих же целей можно использовать и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), в к-рых записаны необходимые таблицы истинности. При этом роль адреса, выбираемого из ПЗУ слова, будут играть входные сигналы (аргументы), а роль реализуемой логич. ф-ции - слово, записанное в ПЗУ по этому адресу.

Последовательностные схемы - Л. с. с запоминанием переменных - схемы, выходные сигналы к-рых зависят не только от значения входных сигналов в данный момент времени, но и от последовательности значений входных сигналов в предшествующие времени. Последовательностные схемы собираются из комбинационных путём введения в них обратных связей. Простейшим последовательностным устройством является RS-триггер, наз. также базовым элементом последовательностной логики. Базовые элементы лежат в основе всех остальных устройств последовательностной логики: многофункциональных триггеров разл. типа, регистров, счётчиков, многих видов запоминающих устройств.

Работу последовательностных схем обычно рассматривают в дискретном времени, состоящем из отд. интервалов - тактов. Длительность отд. тактов несущественна, при этом они могут быть как равными, так и различными. Изменение выходных сигналов последо-вательностного устройства может происходить только в начале (или конце) нового такта. В обозначения входных и выходных сигналов помимо их номера может включаться и обозначение номера такта; так и означают выходной сигнал Y i в п- мтакте и в следующем, (n +1)-м, такте. Последовательностные схемы обычно описывают при помощи таблиц переключений или переключат. ф-ций, представляющих собой таблицы истинности и логич. ф-ции, составленные с учётом номера такта. При описании таких схем используют также и временные диаграммы.

Триггеры -Последовательностные элементы с двумя устойчивыми выходными состояниями (0 или 1). Под действием входных сигналов способен переключаться в др. состояние с противоположным выходным сигналом. Осн. назначение - запоминание двоичной информации, заключающееся в сохранении триггером заданного состояния после прекращения действия переключающего сигнала. Простейший RS-триггер представляет собой устройство из двух ЛЭ D1 и D2 типа ИЛИ-НЕ (или И-НЕ), охваченных перекрёстной положительной обратной связью (рис. 12). Он имеет два свободных (управляющих) входа, обычно обозначаемых буквами R (от англ. reset - возврат) и S (англ. set - установка), и два выхода: прямой (Q) и инверсный Состояние триггера определяется по сигналам на его прямом выходе, т. е. считают, что находится в единичном состоянии, если 0 = 1 и и в нулевом состоянии, если Q=0 и Как видно из схемы рис. 12, состояние триггера может быть определено из логич. ф-ций элементов ИЛИ-НЕ: Q (для D 1) и = (для D2 ). Анализ состояния триггера в каждом из п тактов необходимо начинать с того элемента (D 1или D 2), на управляющем входе к-рого появилась 1. В этом случае, независимо от сигнала на 2-м входе этого элемента - выходного сигнала др. элемента в конце предыдущего, ( п- 1)-го такта,- на его выходе возникнет 0. Сигнал логич. О по цепи обратной связи поступает на др. элемент и совместно со вторым управляющим сигналом определяет его выходное состояние. Всего возможны четыре комбинации управляющих сигналов:

R = l и S=0, тогда и т. е. происходит установка триггера в нулевое устойчивое состояние (Q "=0 и независимо от состояния триггера в предыдущем, ( п- 1)-м такте;

R=0 и S=1, тогда Q n =00=1, т. е. триггер устанавливается в единичное устойчивое состояние независимо от предыдущего состояния;

R = S=0, тогда и т. е. состояние триггера в n -м такте осталось таким же, как и в предыдущем, ( п- 1)-м, такте;

R=S = 1, тогда Q n = и т. е. оба выходных сигнала равны 0, что не позволяет однозначно определить состояние системы.

Комбинации управляющих сигналов определяют и соответствующие режимы работы триггера: режим записи 0 (режим возврата), режим записи единицы (режим установки), режим хранения информации Q n = Q n -1 и запрещённый (неоднозначный) режим Переход RS -триггера из одного режима в другой показан на рис. 13. Стрелками указана последовательность появления выходных сигналов триггера при подаче единичных сигналов на S- и R-входы в режимах записи О и 1, а пунктирными линиями - неопределённые (случайные) значения (или 0, или 1) хранимой информации после перехода триггера из запрещённого режима (7-й такт) в режим хранения (8-й. . .10-й такты).

Возможность перехода RS -триггера в случайное состояние при выходе из запрещённого режима работы является крупным его недостатком. Поэтому в последовательностных Л. с. используются, как правило, сложные триггеры, у к-рых нет запрещённых режимов работы. Любой тип сложного триггера состоит из базовой ячейки памяти RS -триггера) и устройства управления, к-рое представляет собой Л. с., преобразующую входную информацию в R- и S-сигналы.

Простейшую схему управления имеет статич. D -триггер (рис. 14, а). Его управляющее устройство - комбинац. схема, состоящая из инвертора и двух ЛЭ И. Сигналы, предназначенные для записи, поступают на вход D. На вход синхронизации С подаются тактовые импульсы (синхроимпульсы), определяющие момент записи. Как видно из рис. 14, a , S=D*C, a R = Следовательно, при С=0 независимо от значения D имеем S=R=0, т. е. RS -триггер находится в режиме хранения информации. При С=1 либо S-, либо R-сигнал равен 1 и триггер находится в режиме записи единицы (при D = l) или нуля (при D=0). Сигнал на выходе Q может измениться только в первой части каждого такта, пока на входе С имеется сигнал единичного уровня (рис. 14, б ). Во второй части такта (при С=0) триггер находится в режиме хранения информации, и поэтому выходной сигнал задерживается до окончания того такта, в к-ром он был записан. Так, единичный сигнал на входе D заканчивается задолго до конца 0-го и 3-го тактов, а на выходе триггера он задерживается до начала 1-го и 4-го тактов. Недостатком статич. D-триггера является сквозная передача информации с D-входа на выход во время действия синхроимпульса, в результате чего сигнал на выходе триггера может измениться неск. раз в пределах одного такта (напр., 2-й такт, рис. 14, б).

В динамич. D-триггере, свободном от недостатков статич. Д-триггера, запись информации производится только во время одного изперепадов напряжения (или из 0 в 1, или из 1 в 0) на входе С, и поэтому выходной сигнал может измениться только один раз в пределах такта . Условно-графич. обозначение одного из динамич. D -триггеров см. на рис. 15.

Соединив в динамич. D -триггере инверсный выход с информац. входом D (рис. 16, а), получают счётный T -триггер, к-рый имеет только один управляющий вход Т (рис. 16, б). Первоначально на выходе Q этого триггера - нулевой сигнал (рис. 16, в ), а на входе D==1. По фронту первого синхроимпульса единичное состояние с D-входа перепишется на выход Q и соответственно на выходе и входе D появится нуль. В след. такте на D-выход будет переписан нулевой сигнал с D-входа. Т. о., на выходе T -триггера будет меняться на противоположную по приходу каждого счётного синхроимпульса, а число выходных импульсов уменьшится в два раза по сравнению с числом входных импульсов.

Регистр - последовательностный ОЭ, предназначенный для хранения и (или) преобразования многоразрядных двоичных чисел. Регистр состоит из набора триггеров, число к-рых равно макс. разрядности хранимых чисел.

Простейший регистр - регистр с параллельным вводом информации. Схему и условно-графич. обозначение 4-разрядного регистра на D-триггерах см. на рис. 17.

Параллельный двоичный 4-разрядный код поступает на информац. входы D1, . . ., D4 всех триггеров и записывается в регистр по приходу синхроимпульса С. В промежутках между синхроимпульсами происходит подготовка новой входной информации, а её смена в регистре осуществляется по очередному синхроимпульсу. Такие регистры в основном используются в системах оперативной памяти (см. Памяти устройства). Схема регистра с последоват. вводом информации, выполненного на D-триггерах с динамич. управлением, и его временные диаграммы см. на рис. 18. По приходу синхроимпульса С в первый триггер записывается код (О или 1), находящийся в этот момент на его D-входе. Каждый следующий триггер по этому же синхроимпульсу переключается в состояние, в к-ром в этот момент находился предыдущий триггер. Это происходит потому, что выходное состояние триггера изменяется с нек-рой задержкой относительно фронта синхроимпульса, равной времени срабатывания триггера (рис. 18, б). Следовательно, при последоват. соединении триггеров каждый синхроимпульс сдвигает код числа в регистре на один разряд, и поэтому для записи n -разрядного кода требуется п синхроимпульсов. Напр., в регистр вводится двоичный 4-разрядный код 1011 (рис. 18, б). По 1-му синхроимпульсу в 1-й триггер записывается единица старшего разряда. По 2-му синхроимпульсу эта единица перепишется с выхода 1-го на выход 2-го триггера, а в 1-й триггер запишется нуль (следующий разряд кода). Таким же образом после прихода 4-го синхроимпульса в регистре окажется записанным число Q 4 -1. Q 3 -0, Q 2 -1. Q 1 -1. Дo прихода след. импульса последовательно введённый 4-разрядный код будет храниться в регистре в виде параллельного кода, к-рый можно считывать с выходов Q 4 , . . ., Q 1 .

Большое распространение получили универсальные регистры , способные записывать и считывать числа как в последовательном, так и в параллельном кодах. Поэтому их можно использовать для преобразования последоват. кода в параллельный и наоборот, выполнения нек-рых арифметич. и логич. операций. Благодаря своей многофункциональности регистры стали одними из наиболее распространённых ОЭ в системах автоматики и вычислит. техники.

Счётчик - последовательностный ОЭ, предназначенный для счёта импульсов, поступивших на его вход. Счётчик состоит из цепочки триггеров, число к-рых определяет его разрядность, а следовательно, и число разл. состояний счётчика, к-рое наз. коэф. (модулем) счёта - К. Если кол-во входных импульсов больше модуля счёта, то через каждые К импульсов счётчик возвращается в исходное состояние и цикл счёта начинается сначала.

Простейшим одноразрядным счётчиком с К=2 является одиночный T -триггер, меняющий своё состояние на противоположное под действием каждого входного импульса. Если за нач. состояние триггера принять Q=0, то по приходу 1-го импульса он перейдёт в новое состояние с Q = l, а при поступлении 2-го импульса снова вернётся в исходное состояние с Q=0 и счёт может начинаться сначала. Цепочка из т счётных триггеров образует последоват. m -разрядный двоичный счётчик. Результат счёта отображается на выходах всех триггеров Q m ,....,Q 1 в виде параллельного двоичного кода числа сосчитанных импульсов, к-рый может принимать значения от 0, . . ., О до 1, . . ., 1. Т. к. число разрядов равно т, а каждая переменная может принимать лишь два значения (0 или 1), то число возможных состояний К=2 m . Макс. число импульсов, при к-ром счётчик полностью заполняется единицами, равно (2 m -1), т. к. с приходом 2 m -го импульса счётчик опять переходит в нулевое состояние.

На рис. 19, а приведена схема 4-разрядного двоичного счётчика на T -триггерах, срабатывающих по заднему фронту при переходе из 1 в 0 входного сигнала. Условно-графич. обозначение счётчика и его временные диаграммы см. на рис. 19, б. Диаграммы начинаются с момента, когда счётчик заполнен, т. е. на всех его выходах находятся сигналы единичного уровня - 1111. Число импульсов, подсчитанных счётчиком к этому времени, 1111 2 =1*2 3 +1*2 2 +1*2 1 +1*2 0 =15, что соответствует последнему (2 4 -1) его состоянию. По заднему фронту следующего (16-го) импульса все триггеры последовательно переключаются (стрелки на диаграмме) и счётчик переходит в исходное (нулевое) состояние. С приходом каждого след. импульса параллельный двоичный код на выходе счётчика будет увеличиваться на единицу, пока снова не наступит переполнение счётчика.

Рассмотренный суммирующий счётчик можно преобразовать в вычитающий, у к-рого выходной код будет уменьшаться на единицу с приходом каждого счётного импульса. Для этого достаточно входы синхронизации 2-го и следующих триггеров подключить не к прямым, а к инверсным выходам предыдущих триггеров.

Наиб. часто используются счётчики с коэф. счёта, не равным 2 m . Напр., в электронных часах необходимы счётчики с модулем К= 6(десятки мин), K = 10 (единицы мин), К= 7(дни недели). Для построения счётчика с можно использовать цепочку из т триггеров, для к-рой выполняется условие Очевидно, такой счётчик имеет лишние устойчивые состояния (2 m - - К). Их исключают, вводя обратные связи в цепь сброса счётчика в нулевое состояние, в том такте работы, когда счётчик досчитывает до числа К. Напр., для счётчика с K =5 нужны три триггера, т. к. Счётчик должен иметь пять устойчивых состояний N =0, 1, 2, 3, 4. В том такте, когда он должен перейти в устойчивое состояние N =5, его необходимо установить в исходное нулевое состояние. В схему такого счётчика (рис. 20, а) помимо трёх триггеров включают логич. элемент И, на к-рый подают выходные сигналы счётчика, соответствующие первому запрещённому состоянию, т. е. числу 5. С выхода элемента И сигнал сброса поступает на входы установки триггеров в 0 (R-входы). Как видно из диаграммы (рис. 20, б), в самом начале 6-го состояния (число 5) на обоих входах элемента И появляются логич. 1, вызывающие появление сигнала R = l, сбрасывающего счётчик в исходное состояние. После сброса триггера в нуль исчезает и единичный R-сигнал в цепи обратной связи и счётчик снова готов к работе в новом цикле.

Счётчики могут выполнять ф-ции делителей частоты, т. е. устройств, формирующих из импульсной последовательности с частотой f вх, импульсную последовательность f вых на выходе последнего триггера с частотой

Помимо рассмотренных простейших типов счётчиков существует большое кол-во более совершенных, но и значительно более сложных конструкций, обладающих лучшими параметрами и дополнит. функциональными возможностями .

Осн. типы Л. с. являются базой для построения разнообразных цифровых устройств ( процессоров, памяти устройств и пр.), из к-рых состоят совр. и системы автоматич. управления объектами и процессами.

Лит.: 1) Савельев А. Я., Арифметические и логические основы цифровых автоматов, М., 1980; 2) Зельдин Е. А., Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре, Л., 1986; 3) 3алманзон Л. А., Беседы об автоматике и кибернетике, М., 1981; 4) Мальцева Л. А., Фромберг Э. М., Ямпольский В. С., Основы цифровой техники, М., 1986; 5) ГОСТ 2

логические схемы с низким уровнем - логические микросхемы — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом Синонимы логические микросхемы EN low level logic … Справочник технического переводчика

логические схемы (устройства) управления - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN control logic … Справочник технического переводчика

логические схемы коммутации - коммутирующая логика — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом Синонимы коммутирующая логика EN switching logic … Справочник технического переводчика

логические схемы на (магнитных) сердечниках - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN core logic … Справочник технического переводчика

логические схемы на переключателях тока - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN current mode logiccurrent sinking logiccurrent steering logic … Справочник технического переводчика

логические схемы на пороговых элементах - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN threshold logic … Справочник технического переводчика

логические схемы переключения при отказе - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN failover logic … Справочник технического переводчика

логические схемы с буферными усилительными элементами - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN buffered logic … Справочник технического переводчика

логические схемы с внутренней синхронизацией - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN self checking logic … Справочник технического переводчика, Логические схемы разработаны в соответствии с учебной программой курса`Экономическая безопасность хозяйствующих субъектов`. Пособие предназначено для оказания методической помощи слушателям в… ,

- Коэффициент объединения по входу К об - число входов, с помощью которых реализуется логическая функция.

- Коэффициент разветвления по выходу К раз показывает, какое число логических входов устройств этой же серии может быть одновременно присоединено к выходу данного логического элемента.

- Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигналов через ЛЭ и определяется из графиков зависимости от времени входного и выходного сигналов (Рисунок 10). Различают время задержки распространения сигнала при включенииЛЭ t 1,0 зд.р , время задержки сигнала при выключении t 0,1 зд.р и среднее время задержки распространения t 1,0 зд.р ср .

Рисунок 10 К определению времени задержки распространения сигнала ЛЭ

Средним временем задержки распространения сигнала называют интервал времени, равный полусумме времён задержки распространения сигнала при включении и выключении логического элемента:

t зд.р ср = (t 1,0 зд.р + t 0,1 зд.р )/2

- Напряжение высокого U 1 и низкого U 0 уровней (входные U 1 вх и выходные U 0 вых ) и их допустимая нестабильность. Под U 1 и U 0 понимают номинальные значения напряжений «Лог.1» и «Лог.0»; нестабильность выражается в относительных единицах или в процентах.

- Пороговые напряжения высокого U 1 пор и низкого U 0 пор уровней. Под пороговым напряжением понимают наименьшее (U 1 пор ) или наибольшее (U 0 пор ) значение соответствующих уровней, при котором начинается переход логического элемента в другое состояние. Эти параметры определяются с учётом разброса параметров соответствующей серии в рабочем диапазоне температур; в справочниках часто приводится одно усреднённое значение U ПОР .

- Входные токи I 0 вх, I 1 вх соответственно при входных напряжениях низкого и высокого уровней.

- Помехоустойчивость. Статическая помехоустойчивость оценивается по передаточным характеристикам логического элемента как минимальная разность между значениями выходного и входного сигналов относительно порогового значения с учётом разброса параметров в диапазоне рабочих температур:

U - ПОМ = U 1 вых .min – U ПОР

U + ПОМ = U ПОР – U 0 вых .min

В справочных данных обычно приводится одно допустимое значение помехи, которое не переключает ЛЭ при допустимых условиях эксплуатации.

- Потребляемая мощность P пот или ток потребления I пот.

- Энергия переключения - работа, затрачиваемая на выполнение единичного переключения. Это интегральный параметр, используемый для сравнения между собой микросхем различных серий и технологий. Он находится как произведение потребляемой мощности и среднего времени задержки распространения сигнала.

3.2 Транзисторно-транзисторная логика

Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) составляют базу микросхем среднего и высокого быстродействия. Разработано и используется несколько вариантов схем, имеющих различные параметры.

Рисунок 11 Логические элементы И-НЕ с простым а) и сложным б) инвертором

3.2.1 ТТЛ элемент И-НЕ с простым инвертором

В состав такого элемента входит многоэмиттерный транзистор VT1 (рисунок 11,а), осуществляющий логическую операцию И и транзистор VT2, реализующий операцию НЕ.

Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) является основой ТТЛ. При наличии на входах схемы т.е. эмиттерах МЭТ сигнала U 0 =U КЭ.нас эмиттерные переходы смещены в прямом направлении и через VT1 протекает значительный базовый ток I Б 1 =(E–U БЭ.нас –U КЭ.нас )/R Б , достаточный для того, чтобы транзистор находился в режиме насыщения. При этом напряжение коллектор-эмиттер VT 1 U КЭ.нас =0,2 В. Напряжение на базе транзистора VT2, равное U 0 +U КЭ.нас =2U КЭ.нас <U БЭ.нас и транзистор VT2 закрыт. Напряжение на выходе схемы соответствует уровню логической «1». В таком состоянии схема будет находиться, пока хотя бы на одном из входов сигнал равен U 0 .

Если входное напряжение повышать от уровня U 0 на всех входах одновременно, или на одном из входов при условии, что на остальные входы подан сигнал логической «1», то входное напряжение на базе повышается и при U б =U вх +U КЭ.нас =U БЭ.нас и транзистор VT2 откроется. В результате увеличится ток базы VT2, который будет протекать от источника питания через резистор R б и коллекторный переход VT1, и транзистор VT2 перейдёт в режим насыщения. Дальнейшее повышение U ВХ приведёт к запиранию эмиттерных переходов транзистора VT1, и в результате он перейдёт в режим, при котором коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерные - в обратном (Инверсный режим включения). Напряжение на выходе схемы U ВЫХ =U КЭ.нас =U 0 (транзистор VT2 в насыщении).

Таким образом, рассмотренный элемент осуществляет логическую операцию И-НЕ.

Простейшая схема элемента ТТЛ имеет ряд недостатков. При последовательном включении таких элементов, когда к выходу элемента подключаются эмиттеры других таких же элементов, ток, потребляемый от ЛЭ, увеличивается, уменьшается напряжение высокого уровня (лог. «1»). Поэтому элемент обладает низкой нагрузочной способностью. Это обусловлено наличием больших эмиттерных токов многоэмиттерного транзистора в инверсном режиме, которые потребляются от ЛЭ транзисторами-нагрузками.

Кроме того, эта схема имеет малую помехоустойчивость по отношению к уровню положительной помехи: U + ПОМ =U БЭ.нас –U 0 =U БЭ.нас –2U КЭ.нас . Для устранения указанных недостатков используют схемы ТТЛ со сложным инвертором (Рисунок 11,б).

3.2.2 ТТЛ элемент со сложным инвертором

Схема ТТЛ со сложным инвертором (рисунок 11,б) также, как и схема с простым инвертором, осуществляет логическую операцию И-НЕ. При наличии на входах напряжения лог. «0» многоэмиттерный транзистор VT1 находится в режиме насыщения, а транзистор VT2 закрыт. Следовательно, закрыт и транзистор VT4, поскольку ток через резистор R4 не протекает и напряжение на базе VT4 U бэ 4 ="0". Транзистор VT3 открыт, так как его база подключена к источнику питания E через резистор R2. Сопротивление резистора R3 невелико, поэтому VT3 работает как эмиттерный повторитель. Через транзистор VT3 и открытый диод VD протекает ток нагрузки логического элемента и выходное напряжение, соответствующее уровню лог. «1», равно напряжению питания за минусом падения напряжения U БЭ.нас , падения напряжения на открытом диоде U д =U БЭ.нас и небольшого падения напряжения на сопротивлении R 2 от тока базы VT2: U ¹=E –2U КЭ.нас – R 2 I Б 2 = U n– 2U БЭ.нас .

Рассмотренному режиму соответствует участок 1 передаточной характеристики логического элемента ТТЛ (рисунок 12.а)

Рисунок 12 Характеристики базового ЛЭ серии 155:

а – передаточная, б – входная.

При увеличении напряжения на всех входах потенциал базы VT2 возрастает и при U ВХ =U 0 пор транзистор VT2 открывается, начинает протекать коллекторный ток I K 2 через резисторы R2 и R4. В результате базовый ток VT3 уменьшается, падение напряжения на нём увеличивается и выходное напряжение снижается (участок 2 на рисунке 12). Пока на резисторе R4падение напряжения U R 4 <U БЭ.нас транзистор VT4 закрыт. Когда U ВХ =U ¹ пор =2U БЭ.нас –U КЭ.нас открывается транзистор VT4. Дальнейшее увеличение входного напряжения приводит к насыщению VT2 и VT4 и переходу VT1 в инверсный режим (участок 3 на рисунке 12). При этом потенциал точки «а » (см. рисунок 11,б) равен U a =U БЭ.нас +U КЭ.нас , а точки «б » - U б =U КЭ.нас , следовательно, U аб =U а –U б =U БЭ.нас . Для отпирания транзистора VT3 и диода VD1 требуется U аб ≥2U БЭ.нас . Так как это условие не выполняется, то VT3 и VD1 оказываются закрытыми и напряжение на входе схемы равно U КЭ.нас =U 0 (участок 4 на рисунке 12).

При переключении имеются промежутки времени, когда оба транзистора VT3 и VT4 открыты и возникают броски тока. Для ограничения амплитуды этого тока в схему включают резистор с небольшим сопротивлением (R 3 =100–160 Ом).

При отрицательном напряжении на эмиттерах МЭТ большем 2 В развивается туннельный пробой и входной ток резко увеличивается. Для защиты ЛЭ от воздействия отрицательной помехи в схему введены диоды VD2, VD3, которые ограничивают её на уровне 0,5–0,6В.

При положительном напряжении больше (4–4,5) В входной ток также увеличивается, поэтому для подачи на входы ЛЭ лог. «1» нельзя подключать входы к напряжению питания +5 В.

При практическом применении ЛЭ ТТЛ неиспользованные входы можно оставлять свободными. Однако при этом снижается помехоустойчивость из-за воздействия наводок на свободные выводы. Поэтому их обычно или объединяют между собой, если это не ведёт к превышению для предшествующего ЛЭ, или подключают к источнику питания +5 В через резистор R=1 кОм, ограничивающий входной ток. К каждому резистору можно подключать до 20 входов. Таким методом уровень лог. «1» создаётся искусственно.

Помехоустойчивость элемента ТТЛ со сложным инвертором:

U + пом = U 1 пор – U 0 = 2U БЭ.нас – 2U КЭ.нас

U – пом = U 1 – U 1 пор = E – 4U БЭ.нас + U КЭ.нас

Быстродействие элементов ТТЛ, определяемое временем задержки распространения сигнала при включении t 1,0 зад.р и выключении t 0,1 зад.р , зависит от длительности процессов накопления и рассасывания неосновных носителей в базах транзисторов, перезарядки емкостей коллекторных СК и эмиттерных СЭ ёмкостей переходов. Поскольку при работе элемента ТТЛ открытые транзисторы находятся в состоянии насыщения, то существенный вклад в увеличение инерционности ТТЛ вносит время рассасывания неосновных носителей при запирании транзисторов.

Элементы ТТЛ со сложным инвертором имеют большой логический перепад, малую потребляемую мощность, высокое быстродействие и помехоустойчивость. Типичные значения параметров ТТЛ следующие: U пит =5 В; U 1 ≥2,8 В; U 0 ≤0,5 В; t зд.ср =10…20 нс; P пот.ср =10…20 мВт; K раз =10.

При практическом применении ЛЭ ТТЛ неиспользованные входы можно оставлять свободными. Однако при этом снижается помехоустойчивость из-за воздействия наводок на свободные выводы. Поэтому их обычно или объединяют между собой, если это не ведёт к превышению для предшествующего ЛЭ, или подключают к источнику питания +5 В через резистор R=1 кОм, ограничивающий входной ток. К каждому резистору можно подключать до 20 входов.

3.2.3 Элементы ТТЛШ

С целью увеличения быстродействия элементов ТТЛ, в элементах ТТЛШ используются транзисторы Шотки, представляющие собой сочетание обычного транзистора и диода Шотки, включённого между базой и коллектором транзистора. Поскольку падение напряжения на диоде Шотки в открытом состоянии меньше, чем на обычном p-n-переходе, то большая часть входного тока протекает через диод и только его малая доля втекает в базу. Поэтому транзистор не входит в режим глубокого насыщения.

Следовательно, накопление носителей в базе из-за их инжекции через коллекторный переход практически не происходит. В связи с этим имеет место увеличение быстродействия транзисторного ключа с барьером Шотки в результате уменьшения времени нарастания тока коллектора при включении и времени рассасывания при выключении.

Среднее время задержки распространения сигнала элементов ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛШ) примерно в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ. Недостатком ТТЛШ является меньшая по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ помехоустойчивость U + пом из-за большего значения U 0 и меньшего U пор .

3.2.4 Элементы ТТЛ с тремя выходными состояниями -

имеют дополнительный вход V - вход разрешения (рисунок 13,а). При подаче на этот вход напряжения U 0 транзистор VT5 открыт и насыщен, а транзисторы VT6 и VT7 закрыты и поэтому не влияют на работу логического элемента. В зависимости от комбинации сигналов на информационных входах на выходе ЛЭ может быть сигнал с уровнем «лог. 0» или «лог. 1». При подаче на вход V напряжения с уровнем «лог. 1» транзистор VT5 закрывается, а транзисторы VT6 и VT7 открываются, напряжение на базе транзистора VT3 уменьшается до уровня U БЭ.нас +U д, транзисторы VT2, VT3, VT4 закрываются и ЛЭ переходит в высокоимпедансное (третье) состояние, то есть отключается от нагрузки.

На рисунке 13,б показано УГО этого элемента. Значок ∇ указывает на то, что выход имеет три состояния. Значок E ∇ «Разрешение третьего состояния» указывает, что сигналом =0 ЛЭ переводится в третье (высокоомное) состояние.

Для уменьшения помех по цепи питания в точках подключения к шинам групп ЛЭ устанавливают развязывающие керамические конденсаторы ёмкостью порядка 0,1 мкФ на один корпус. На каждой плате между цепью питания и общей шиной 1–2 электролитических конденсатора ёмкостью 4,7–10 мкФ.

Рисунок 13 Логический элемент ТТЛ И-НЕ с тремя выходными состояниями а) и его УГО б).

В таблице 7 приведены параметры некоторых серий ЛЭ ТТЛ.

Таблица 7 Параметры некоторых серий логических элементов ТТЛ

ПАРАМЕТРЫ	СЕРИИ
	Универсальные	Высокого быстродействия		Микромощные
	133, 155	К531	КР1531	К555	Кр1533
Входной ток I 0 ВХ , мА	-1,6	-2,0	-0,6	-0,36	-0,2
Входной ток I 1 ВХ , мА	0,04	0,05	0,02	0,02	0,02
Выходное напряжение U 0 ВЫХ , В	0,4	0,5	0,5	0,5	0,4
Выходное напряжение U 1 ВЫХ , В	2,4	2,7	2,7	2,7	2,5
Коэффициент разветвления по выходу K РАЗ	10	10	10	20	20
Коэффициент объединения по входу K ОБ	8	10	-	20	-
Время задержки распространения сигнала t ЗАД.ср	19	4,8	3,8	20	20
Потребляемый ток, мА:
I 0 ПОТ (при U 0 ВЫХ )	22	36	10,2	4,4	3
I 1 ПОТ (при U 1 ВЫХ )	8	16	2,8	1,6	0,85
	0,4	0,3	0,3	0,3	0,4
Напряжение питания, В	5	5	5	5	5
Выходные токи, мА:
I 0 ВЫХ	16	20	20	8	4
I 1 ВЫХ	-0,4	-1	-1	-0,4	-0,4
Средняя потребляемая мощность на элемент, мВт	10	19	4	2	1,2

3.3 Эмиттерно-связанная логика

Основой эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) является быстродействующий переключатель тока (Рисунок 14,а). Он состоит из двух транзисторов, в коллекторную цепь которых включены резисторы нагрузки R К, а в цепь эмиттеров обоих транзисторов - общий резистор Rэ, по величине значительно больший Rк. На вход одного из транзисторов подаётся входной сигнал U вх, а на вход другого - опорное напряжение U оп. Схема симметрична, поэтому в исходном состоянии (U вх =U оп) и через оба транзистора протекают одинаковые токи. Через сопротивление Rэ протекает общий ток I О.

Рисунок 14 Эмиттерно-связанная логика: а) переключатель тока;

б) упрощенная принципиальная схема

При увеличении U вх ток через транзистор VT1 увеличивается, возрастает падение напряжения на сопротивлении R э, транзистор VT2 подзакрывается и ток через него уменьшается. При входном напряжении, равном уровню лог «1» (U вх =U 1), транзистор VT2 закрывается и весь ток протекает через транзистор VT1. Параметры схемы и ток I 0 выбираются таким образом, чтобы транзистор VT1 в открытом состоянии работал в линейном режиме на границе области насыщения.

При уменьшении U вх до уровня лог. «0» (U вх =U 0), наоборот, транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 находится в линейном режиме на границе с областью насыщения.

В схеме ЭСЛ (Рисунок 14,б) параллельно транзистору VT1 включается ещё один или несколько транзисторов (в зависимости от коэффициента объединения по входу), которые составляют одно из плеч переключателя тока. К выходам ЛЭ для повышения нагрузочной способности подключены два эмиттерных повторителя VT4 и VT5.

При подаче на все входы или на один из них, например, первый, сигнала U ВХ 1 =U 1 , транзистор VT1 открывается и через него протекает ток I 0 , а транзистор VT3 закрывается.

U ВЫХ 1 = U 1 – U БЭ.нас = U 0

U ВЫХ 2 = U ПИТ – U БЭ.нас = U 1

Таким образом, по первому выходу данная схема реализует логическую операцию ИЛИ-НЕ, а по второму - операцию ИЛИ. Нетрудно видеть, что пороговое напряжение U ПОР =U ОП , логический перепад ΔU =U 1 -U 0 =U БЭ.нас и помехоустойчивость схемы U + ПОМ =U - ПОМ =0,5U БЭ.нас .

Входные токи элемента, а следовательно, и токи нагрузки ЭСЛ малы: I 0 ВХ ≈0, ток I 1 ВХ равен базовому току транзистора, работающего на границе области насыщения, а не в области насыщения. Поэтому нагрузочная способность элемента велика и коэффициент разветвления достигает 20 и более.

Поскольку логический перепад невелик, то нестабильность напряжения источника питания существенно влияет на помехоустойчивость ЭСЛ. Для повышения помехоустойчивости в схемах ЭСЛ заземляют не отрицательный полюс источника питания, а положительный. Это делается для того, чтобы большая доля напряжения помехи падала на большом сопротивлении R э и только малая её доля попадала на входы схемы.

При совместном использовании ЛЭ ЭСЛ и ТТЛ между ними приходится включать специальные микросхемы, которые согласуют уровни логических сигналов. Их называют преобразователями уровней (ПУ).

Высокое быстродействие ЭСЛ обусловлено следующими основными факторами:

1 Открытые транзисторы не находятся в насыщении, поэтому исключается этап рассасывания неосновных носителей в базах.

2 Управление входными транзисторами осуществляется от эмиттерных повторителей предшествующих элементов, которые, имея малое выходное сопротивление, обеспечивают большой базовый ток и, следовательно, малое время открывания и закрывания входных и опорного транзисторов.

Все эти факторы в комплексе обеспечивают малое время фронта и среза выходного напряжения элементов ЭСЛ.

Для ЭСЛ характерны следующие средние параметры: U пит =–5В; U 1 =–(0,7–0,9)В; U 0 =–(1,5–2)В; tЗ Д.ср =3–7 нс; P пот =10–20 мВт.

Перспективными считаются серии К500 и К1500, причём серия К1500 относится к числу субнаносекундных и имеет время задержки распространения менее 1 нс. (Таблица 8).

Таблица 8 Параметры основных серий ЛЭ ЭСЛ

Параметры	Серии
	К500	К1500
Входной ток I 0 ВХ ,мА	0,265	0,35
Входной ток I 1 ВХ , мА	0,0005	0,0005
Выходное напряжение U 0 ВЫХ , В	-1,85…-1,65	-1,81…-1,62
Выходное напряжение U 1 ВЫХ , В	-0,96…-0,81	-1,025…-0,88
Выходное пороговое напряжение, В:
U 0 ВЫХ.пор	-1,63	-1,61
U 1 ВЫХ.пор	-0,98	-1,035
Время задержки распространения, нс	2,9	1,5
Допустимое напряжение помехи, В	0,125	0,125
Коэффициент разветвления K РАЗ	15	-
Напряжение питания, В	-5,2; -2,0	-4,5; -2,0
Потребляемая мощность на элемент, мВт	8…25	40

3.4 Транзисторная логика с непосредственными связями (ТЛНС)

В схеме элемента ТЛНС сопротивление нагрузки включено в цепь соединенных коллекторов двух транзисторов (Рисунок 15,а). Входные сигналы X1 и X2 подаются на базы этих транзисторов. Если X1 и X2 одновременно равны «лог 0», то оба транзистора закрыты и на выходе схемы будет высокий потенциал Y=1. Если хотя бы на один, или на оба входа, подать высокий потенциал «лог 1», то один или оба транзистора открыты и на выходе схемы будет низкий потенциал Y=0. Таким образом, схема выполняет операцию ИЛИ-НЕ.

Рисунок 15 ЛЭ НСТЛ а) и входные характеристики транзисторов нагрузки б).

Как видно, схема элемента НСТЛ предельно проста, однако у неё есть существенный недостаток. Когда на выходе элемента установлен потенциал лог. «1», на базы транзисторов нагрузок, как показано на рисунке 15,а пунктиром, подаётся постоянный потенциал U ¹. Из-за разброса параметров транзисторов (см. рисунок 15,б), токи баз транзисторов могут существенно различаться. В результате один из транзисторов может войти в глубокое насыщение, а другой - находиться в линейном режиме. При этом уровни «лог.1» будут существенно различаться, что неизменно приведёт к сбоям в работе устройства в целом. Поэтому схема ЛЭ НСТЛ применяется только на транзисторах, управляемых напряжением.

3.5 Интегральная инжекционная логика

Элементы интегральной инжекционной логики (И²Л) не имеют аналогов в дискретной схемотехнике и могут быть реализованы только в интегральном исполнении (рисунок 16,а). Элемент И²Л состоит из двух транзисторов: горизонтальный p-n-p-транзистор выполняет роль инжектора, а вертикальный многоколлекторный n-p-n-транзистор работает в режиме инвертора. Общая область n-типа служит базой p-n-p-транзистора, а также эмиттером n-p-n-транзистора и подключается к «заземлённой» точке. Коллектор p-n-p-транзистора и база n-p-n-транзистора также являются общей областью. Эквивалентная схема приведена на рисунке 16,б.

Рисунок 16 Транзистор с инжекционным питанием: а - структурная схема, б - эквивалентная схема, в - эквивалентная схема с генератором тока.

В цепь эмиттер-база инжектора подаётся напряжение питания U ПИТ . Минимальное напряжение источника определяется падением напряжения на эмиттерном переходе: U КЭ.нас =0,7 В. Но для стабилизации тока эмиттера I 0 последовательно с источником включается резистор R и берут напряжение источника питания U ПИТ =1…1,2 В. При этом p-n-переход эмиттер-база VT1 открыт и имеет место диффузия дырок к коллекторному переходу. По мере движения к коллектору часть дырок рекомбинируют с электронами, но их значительная часть достигает коллекторного перехода и, пройдя через него, попадают в p-базу инвертора (транзистора VT2). Этот процесс диффузии, т.е. инжекции дырок в базу идёт постоянно, независимо от входного воздействия.

Если напряжение на базе VT2 U вх =U 0 , что соответствует замкнутому состоянию ключа S, дырки, попадающие в p-базу инвертора, беспрепятственно стекают к отрицательному полюсу источника питания. В цепи коллектора транзистора VT2 ток не протекает и это эквивалентно разомкнутому состоянию коллекторной цепи VT2. Такое состояние выходной цепи соответствует напряжению лог. «1».

При U вх =U 1 (ключ S разомкнут) дырки в p-базе инвертора накапливаются. Потенциал базы начинает повышаться и соответственно понижаются напряжения на переходах VT2 до тех пор, пока эти переходы не откроются. Тогда в коллекторной цепи транзистора VT2 будет протекать ток и разность потенциалов между эмиттером и коллектором инвертора (транзистора VT2) будет близка к нулю, т.е. этот транзистор представляет собой короткозамкнутый участок цепи, и это состояние будет соответствовать уровню лог. «0». Таким образом, рассмотренный элемент выполняет роль ключа.

Как известно, коллекторный ток транзистора, включённого в схему с общей базой, не зависит от изменения напряжения на коллекторе в широких пределах. Транзистор VT1 включён в схему с ОБ. Из теории работы биполярного транзистора известно, что его выходная характеристика, снятая при постоянном токе эмиттера, почти горизонтальна, то есть ток коллектора не зависит от напряжения на коллекторе. Поэтому он может быть заменён эквивалентным генератором тока. В соответствии с теоремой об эквивалентном генераторе тока, прибавление или вычитание от источника тока постоянного напряжения не влияет на величину тока этого генератора. В соответствии с этим схема транзистора с инжекционным питанием представляется более простой эквивалентной схемой, приведённой на рисунке 16,в.

Если U вх =U 1 , то ток I 0 от генератора тока втекает в базу VT2, открывая его. При этом U вх =U 0 . Если U вх =U 0 , то ток I 0 замыкается на «землю», транзистор VT2 закрыт и U вых =U 1 .

Рисунок 17 Интегральная инжекционная логика (И²Л): схема элемента ИЛИ-НЕ а) и реализация логической функции И б).

Применение многоколлекторного транзистора позволяет поделить общий коллекторный ток VT2 на несколько одинаковых порций, достаточных для управления входом одного аналогичного элемента. Благодаря этому становится возможным применение простейшей схемы логического элемента ИЛИ-НЕ, приведённой на рисунке 17,а. Эта схема подобна схеме элемента НСТЛ (см. рисунок 15,а). В отличие от схемы элемента ИЛИ-НЕ НСТЛ, в элементе ИЛИ-НЕ И²Л не требуется даже резистор в цепи объединённых коллекторов, поскольку питание коллекторная цепь получает от генератора тока последующего каскада.

На рисунке 17,б приведена схема, реализующая логическую функцию И. При подаче на оба входа (X1 и X2) сигнала лог. «0» на объединённых коллекторах инверторов (VT3 и VT4) будет уровень лог. «1». Когда на один из входов, или на оба входа одновременно, подаётся сигнал лог. «1», на выходе схемы имеем сигнал лог. «0», что соответствует выполнению логической операции И.

Элементы И²Л занимают малую площадь на подложке, имеют незначительные потребляемую мощность и энергию переключения. Для них характерны следующие параметры: U ПИТ =1 В; t зад.ср =10…100 нс; K раз =3,5; K об =1.

3.6 Логические элементы на МОП-транзисторах

В логических элементах на МОП-транзисторах используется два типа транзисторов: управляющие и нагрузочные. Управляющие - имеют короткий, но достаточно широкий канал и поэтому имеют высокое значение крутизны и управляются малым напряжением. Нагрузочные, наоборот, имеют более длинный, но узкий канал, поэтому имеют более высокое выходное сопротивление и выполняют роль большого активного сопротивления.

3.6.1 Логические элементы на ключах с динамической нагрузкой

Логические элементы на ключах с динамической нагрузкой состоят из одного нагрузочного и нескольких управляющих транзисторов. Если управляющие транзисторы включены параллельно, то, как и в НСТЛ (см. рисунок 15,а), элемент осуществляет логическую операцию ИЛИ-НЕ, а при последовательном соединении - операцию И-НЕ (рисунок 18,а,б).

Рисунок 18 Схемы элементов МОП ТЛ: а) – ИЛИ-НЕ, б) – И-НЕ.

При наличии на входах X1 и X2 напряжения U ВХ =U 0 <U ЗИ.пор управляющие транзисторы VT1 и VT2 закрыты. При этом напряжение на выходе соответствует уровню лог. «1». Когда на одном или на обоих входах элемента действует напряжение U ВХ =U 1 >U ЗИ.пор , то на выходе имеем лог. «0», что соответствует выполнению логической операции ИЛИ-НЕ.

В схеме элемента И-НЕ управляющие транзисторы включены последовательно, поэтому уровень лог. «0» на выходе схемы имеет место только при единичных сигналах на обоих входах.

Элементы МОП ТЛ имеют высокую помехоустойчивость, большой логический перепад, малую потребляемую мощность и сравнительно низкое быстродействие. Для элементов на низкопороговых МОП-транзисторах обычно U ПИТ =5…9 В, а на высокопороговых U ПИТ =12,6…27 В. Основные параметры МОП ТЛ: P пот =0,4…5 мВт, t ЗД.ср =20…200 нс; U 0 ≤1 В; U 1 ≈7 В.

3.6.2 Логические элементы на комплементарных ключах

Комплементарный ключ состоит из двух МОП-транзисторов с каналами разного типа проводимости, входы которых соединены параллельно, а выходы последовательно (рисунок 19,а). При напряжении на затворах, больших порогового, для транзистора с каналом определённого типа соответствующий транзистор открыт, а другой закрыт. При напряжении противоположной полярности, открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

ЛЭ на комплементарных ключах (КМОП) имеют ряд неоспоримых достоинств.

Они успешно работают при изменении в широких пределах напряжения источника питания (от 3 до 15 В), что недостижимо для ЛЭ, в состав которых входят резисторы.

В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки ЛЭ КМОП практически не потребляют мощности.

Для них также характерны: стабильность уровней выходного сигнала и малое его отличие от напряжения источника питания; высокое входное и малое выходное сопротивления; лёгкость согласования с микросхемами других технологий.

Рисунок 19 Схемы логических элементов КМОП ТЛ: а) инвертор, б) ИЛИ-НЕ, в) И-НЕ.

Схема ЛЭ КМОП, выполняющего функцию 2ИЛИ-НЕ, приведена на рисунке 19,б. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал р-типа и открыты при напряжениях на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если на обоих или на одном из входов действует уровень лог. «1», то на выходе схемы будет сигнал лог. «0», что соответствует выполнению логической операции ИЛИ-НЕ.

Если группы ярусно и параллельно включённых транзисторов поменять местами, то будет реализован элемент, выполняющий функцию И-НЕ (рисунок 19,в). Он работает аналогично предыдущему. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал p-типа и открыты при напряжении на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если открыты оба эти транзистора, то на выходе будет установлен сигнал «лог. 0».

Таким образом, сочетание параллельного включения транзисторов с каналами p-типа электропроводности, и ярусного соединения транзисторов с каналами n-типа позволили реализовать функцию И-НЕ.

В ЛЭ КМОП очень просто реализуют элементы с тремя устойчивыми состояниями. Для этого последовательно с транзисторами инвертора включают два комплементарных транзистора VT1, VT4 (рисунок 20,а), управляемых инверсными сигналами

Рисунок 20 Инвертор с тремя выходными состояниями а); согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП б).

Согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП можно выполнить несколькими способами:

1) Питать ЛЭ КМОП малым напряжением (+5 В), при которых сигналы ЛЭ ТТЛ переключают транзисторы ЛЭ КМОП;

2) Использовать ЛЭ ТТЛ с открытым коллектором, в цепь выхода которых включён резистор, подключенный к дополнительному источнику напряжения (рисунок 20,б).

При хранении и монтаже следует опасаться статического электричества. Поэтому при хранении выводы микросхем электрически замыкают между собой. Монтаж их производится при выключенном напряжении питания, причём обязательно использование браслетов, с помощью которых тело электромонтажников соединяется с землёй.

ЛЭ КМОП-серий широко применяются при построении экономичных цифровых устройств малого и среднего быстродействия. Параметры некоторых серий ЛЭ КМОП типа приведены в таблице 8.

Таблица 8 Параметры некоторых серий ЛЭ КМОП типа

Параметры	серия
	176, 561, 564	1554
Напряжение питания U ПИТ , В	3…15	2…6
Выходные напряжения, В:
низкого уровня U 0 ВЫХ	<0,05	<0,1
высокого уровня U 1 ВЫХ	U ПИТ –0,05	U ПИТ –0,01
Среднее время задержки сигнала, нс:
для U ПИТ =5 В	60	3,5
для U ПИТ =10 В	20	-
Допустимое напряжение помехи, В	0,3 U ПИТ	-
Мощность, потребляемая в статическом режиме, мВт/корпус	0,1	0,1…0,5
Входное напряжение, В	0,5…(U ПИТ +0,5 В)	0,5…(U ПИТ +0,5 В)
Выходные токи, мА	1…2,6	>2,4
Мощность, потребляемая при частоте переключения f =1 МГц, U ПИТ =10 В, C н =50 пф, мВт/корпус	20	-
Тактовая частота, МГц	-	150

Для выполнения логических операций и решать логические задачи с помощью средств электроники были изобретены логические элементы. Их создают с помощью диодов, транзисторов и комбинированных элементов (диодно-транзисторные). Такая логика получила название диодной логики (ДЛ), транзисторной (ТЛ) и диодно–транзисторной (ДТЛ). Используют как полевые, так и биполярные транзисторы. В последнем случае предпочтение отдается устройствам типа n-p-n, так как они обладают большим быстродействием.

Логический элемент «ИЛИ»

Схема логического элемента «ИЛИ» представлена на рисунке 1 а. На каждый из входов может подаваться сигнал в виде какого-то напряжения (единица) или его отсутствия (ноль). На резисторе R появиться напряжение даже при его появлении на каком – либо из диодов.

Элементы или могут иметь несколько логических входов. Если используются не все входы, то те входы которые не используются следует соединять с землей (заземлять), чтобы избежать появления посторонних сигналов.

На рисунке 1б показано обозначение на электрической схеме элемента, а на 1в таблица истинности.

Логический элемент «И»

Схема элемента приведена на рис. 2. Если хотя – бы к одному из входов будет сигнал равный нулю, то через диод будет протекать ток. Падение напряжения на диоде стремится к нулю, соответственно на выходе тоже будет ноль. На выходе сможет появится сигнал только при условии, что все диоды будут закрыты, то есть на всех входах будет сигнал. Рассчитаем уровень сигнала на выходе устройства:

на рис. 2 б – обозначение на схеме, в – таблица истинности.

Логический элемент «НЕ»

В логическом элементе «НЕ» используют транзистор (рис.3 а). при наличии положительного напряжения на входе х=1 транзистор открывается и напряжение его коллектора стремится к нулю. Если х=0 то положительного сигнала на базе нет, транзистор закрыт, ток не проходит через коллектор и на резисторе R нет падения напряжения, соответственно на коллекторе появится сигнал Е. условное обозначение и таблица истинности приведены на рис. 3 б,в.

Логический элемент «ИЛИ-НЕ»

При создании различных схем на логических элементах часто применяют элементы комбинированные. В таких элементах совмещены несколько функций. Принципиальная схема показана на рис. 4 а.

Здесь диоды Д1 и Д2 выполняют роль элемента «ИЛИ», а транзистор играет роль инвертора. Обозначение элемента на схеме и его таблица истинности рис. 4б и в соответственно.

Логический элемент «И-НЕ»

Показана схема на рис. 5 а. Здесь диод Д3 выполняет роль так сказать фильтра во избежание искажения сигнала. Если на вход х1 или х2 не подан сигнал (х1=0 или х2=0), то через диод Д1 или Д2 будет протекать ток. Падение на нем не равно нулю и может оказаться достаточным для открытия транзистора. Последствием чего может стать ложное срабатывание и на выходе вместо единицы мы получим ноль. А если в цепь включить Д3, то на нем упадет значительная часть напряжения открытого на входе диода, и на базу транзистора практически ничего не приходит. Поэтому он будет закрыт, а на выходе будет единица, что и требуется при наличии нуля на каком либо из входов. На рис. 5б и в показаны таблица истинности и схемное обозначение данного устройства.

Логические элементы получили широчайшее применение в электронике и микропроцессорной технике. Многие системы управления строятся с использованием именно этих устройств.

Абсолютно все цифровые микросхемы состоят из одних и тех же логических элементов – «кирпичиков» любого цифрового узла. Вот о них мы и поговорим сейчас.

Логический элемент – это такая схемка, у которой несколько входов и один выход. Каждому состоянию сигналов на входах, соответствует определенный сигнал на выходе.

Итак, какие бывают элементы?

Элемент «И» (AND)

Иначе его называют «конъюнктор».

Для того, чтобы понять как он работает, нужно нарисовать таблицу, в которой будут перечислены состояния на выходе при любой комбинации входных сигналов. Такая таблица называется «таблица истинности ». Таблицы истинности широко применяются в цифровой технике для описания работы логических схем.

Вот так выглядит элемент «И» и его таблица истинности:

Поскольку вам придется общаться как с русской, так и с буржуйской тех. документацией, я буду приводить условные графические обозначения (УГО) элементов и по нашим и по не нашим стандартам.

Смотрим таблицу истинности, и проясняем в мозгу принцип. Понять его не сложно: единица на выходе элемента «И» возникает только тогда, когда на оба входа поданы единицы. Это объясняет название элемента: единицы должны быть И на одном, И на другом входе.

Если посмотреть чуток иначе, то можно сказать так: на выходе элемента «И» будет ноль в том случае, если хотя бы на один из его входов подан ноль. Запоминаем. Идем дальше.

Элемент «ИЛИ» (OR)

По другому, его зовут «дизъюнктор».

Любуемся:

Опять же, название говорит само за себя.

На выходе возникает единица, когда на один ИЛИ на другой ИЛИ на оба сразу входа подана единица. Этот элемент можно назвать также элементом «И» для негативной логики: ноль на его выходе бывает только в том случае, если и на один и на второй вход поданы нули.

Элемент «НЕ» (NOT)

Чаще, его называют «инвертор».

Надо чего-нибудь говорить по поводу его работы?

Элемент «И-НЕ» (NAND)

Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал полностью противоположен. Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» - единица. И наоборот. Э то легко понять по эквивалентной схеме элемента:

Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR)

Та же история – элемент «ИЛИ» с инвертором на выходе.

Следующий товарищ устроен несколько хитрее:
Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR)

Он вот такой:

Операция, которую он выполняет, часто называют «сложение по модулю 2». На самом деле, на этих элементах строятся цифровые сумматоры.

Смотрим таблицу истинности. Когда на выходе единицы? Правильно: когда на входах разные сигналы. На одном – 1, на другом – 0. Вот такой он хитрый.

Эквивалентная схема примерно такая:

Ее запоминать не обязательно.

Собственно, это и есть основные логические элементы. На их основе строятся абсолютно любые цифровые микросхемы. Даже ваш любимый Пентиум 4.

Ну и напоследок – несколько микросхем, внутри которых содержатся цифровые элементы. Около выводов элементов обозначены номера соответствующих ног микросхемы. Все микросхемы, перечисленные здесь, имеют 14 ног. Питание подается на ножки 7 (-) и 14 (+). Напряжение питания – смотри в таблице в предыдущем параграфе.

В Булевой алгебре, на которой базируется вся цифровая техника, электронные элементы должны выполнять ряд определённых действий. Это так называемый логический базис. Вот три основных действия:

ИЛИ - логическое сложение (дизъюнкция ) - OR ;

И - логическое умножение (конъюнкция ) - AND ;

НЕ - логическое отрицание (инверсия ) - NOT .

Примем за основу позитивную логику, где высокий уровень будет "1", а низкий уровень примем за "0". Чтобы можно было более наглядно рассмотреть выполнение логических операций, существуют таблицы истинности для каждой логической функции. Сразу нетрудно понять, что выполнение логических функций «и» и «или» подразумевают количество входных сигналов не менее двух, но их может быть и больше.

Логический элемент И.

На рисунке представлена таблица истинности элемента "И " с двумя входами. Хорошо видно, что логическая единица появляется на выходе элемента только при наличии единицы на первом входе и на втором. В трёх остальных случаях на выходе будут нули.

Вход X1	Вход X2	Выход Y
0	0	0
1	0	0
0	1	0
1	1	1

На принципиальных схемах логический элемент "И" обозначают так.

На зарубежных схемах обозначение элемента "И" имеет другое начертание. Его кратко называют AND .

Логический элемент ИЛИ.

Элемент "ИЛИ " с двумя входами работает несколько по-другому. Достаточно логической единицы на первом входе или на втором как на выходе будет логическая единица. Две единицы так же дадут единицу на выходе.

Вход X1	Вход X2	Выход Y
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	1

На схемах элемент "ИЛИ" изображают так.

На зарубежных схемах его изображают чуть по-другому и называют элементом OR .

Логический элемент НЕ.

Элемент, выполняющий функцию инверсии «НЕ » имеет один вход и один выход. Он меняет уровень сигнала на противоположный. Низкий потенциал на входе даёт высокий потенциал на выходе и наоборот.

Вход X	Выход Y
0	1
1	0

Вот таким образом его показывают на схемах.

В зарубежной документации элемент "НЕ" изображают следующим образом. Сокращённо называют его NOT .

Все эти элементы в интегральных микросхемах могут объединяться в различных сочетаниях. Это элементы: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, и более сложные конфигурации. Пришло время поговорить и о них.

Логический элемент 2И-НЕ.

Рассмотрим несколько реальных логических элементов на примере серии транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) К155 с малой степенью интеграции. На рисунке когда-то очень популярная микросхема К155ЛА3, которая содержит четыре независимых элемента 2И - НЕ . Кстати, с помощью её можно собрать простейший маячок на микросхеме .

Цифра всегда обозначает число входов логического элемента. В данном случае это двухвходовой элемент «И» выходной сигнал которого инвертируется. Инвертируется, это значит "0" превращается в "1", а "1" превращается в "0". Обратим внимание на кружочек на выходах - это символ инверсии . В той же серии существуют элементы 3И-НЕ, 4И-НЕ, что означает элементы «И» с различным числом входов (3, 4 и т.д.).

Как вы уже поняли, один элемент 2И-НЕ изображается вот так.

По сути это упрощённое изображение двух объёдинённых элементов: элемента 2И и элемента НЕ на выходе.

Зарубежное обозначение элемента И-НЕ (в данном случае 2И-НЕ). Называется NAND .

Таблица истинности для элемента 2И-НЕ.

Вход X1	Вход X2	Выход Y
0	0	1
1	0	1
0	1	1
1	1	0

В таблице истинности элемента 2И - НЕ мы видим, что благодаря инвертору получается картина противоположная элементу «И». В отличие от трёх нулей и одной единицы мы имеем три единицы и ноль. Элемент «И - НЕ» часто называют элементом Шеффера.

Логический элемент 2ИЛИ-НЕ.

Логический элемент 2ИЛИ - НЕ представлен в серии К155 микросхемой 155ЛЕ1. Она содержит в одном корпусе четыре независимых элемента. Таблица истинности так же отличается от схемы "ИЛИ" применением инвертирования выходного сигнала.

Таблица истинности для логического элемента 2ИЛИ-НЕ.

Вход X1	Вход X2	Выход Y
0	0	1
1	0	0
0	1	0
1	1	0

Изображение на схеме.

На зарубежный лад изображается так. Называют как NOR .

Мы имеем только один высокий потенциал на выходе, обусловленный подачей на оба входа одновременно низкого потенциала. Здесь, как и на любых других принципиальных схемах, кружочек на выходе подразумевает инвертирование сигнала. Так как схемы И - НЕ и ИЛИ - НЕ встречаются очень часто, то для каждой функции имеется своё условное обозначение. Функция И - НЕ обозначается значком "& ", а функция ИЛИ - НЕ значком "1 ".

Для отдельного инвертора таблица истинности уже приведена выше. Можно добавить, что количество инверторов в одном корпусе может достигать шести.

Логический элемент "исключающее ИЛИ".

К числу базовых логических элементов принято относить элемент реализующий функцию «исключающее ИЛИ». Иначе эта функция называется «неравнозначность».

Высокий потенциал на выходе возникает только в том случае, если входные сигналы не равны. То есть на одном из входов должна быть единица, а на другом ноль. Если на выходе логического элемента имеется инвертор, то функция выполняется противоположная - «равнозначность». Высокий потенциал на выходе будет появляться при одинаковых сигналах на обоих входах.

Таблица истинности.

Вход X1	Вход X2	Выход Y
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	0

Эти логические элементы находят своё применение в сумматорах. «Исключающее ИЛИ» изображается на схемах знаком равенства перед единицей "=1 ".

На зарубежный манер "исключающее ИЛИ" называют XOR и на схемах рисуют вот так.

Кроме вышеперечисленных логических элементов, которые выполняют базовые логические функции очень часто, используются элементы, объединённые в различных сочетаниях. Вот, например, К555ЛР4. Она называется очень серьёзно 2-4И-2ИЛИ-НЕ.

Её таблица истинности не приводится, так как микросхема не является базовым логическим элементом. Такие микросхемы выполняют специальные функции и бывают намного сложнее, чем приведённый пример. Так же в логический базис входят и простые элементы "И" и "ИЛИ". Но они используются гораздо реже. Может возникнуть вопрос, почему эта логика называется транзисторно-транзисторной.

Если посмотреть в справочной литературе схему, допустим, элемента 2И - НЕ из микросхемы К155ЛА3, то там можно увидеть несколько транзисторов и резисторов. На самом деле ни резисторов, ни диодов в этих микросхемах нет. На кристалл кремния через трафарет напыляются только транзисторы, а функции резисторов и диодов выполняют эмиттерные переходы транзисторов. Кроме того в ТТЛ логике широко используются многоэмиттерные транзисторы. Например, на входе элемента 4И стоит четырёхэмиттерный