Логические элементы и их электронные аналоги - Цифровые устройства - Скачать бесплатно
на выходе остается
напряжение логической 1. При этом один из транзисторов с n-каналом (VT3 или
VT4) оказывается открытым; другой - закрытым, и, поскольку они включены
последовательно, шунтирования выхода Q малым сопротивлением не происходит и
напряжение на выходе оказывается высоким. Таким образом, сама схема тока не
потребляет (разве что в те мгновения, когда происходит процесс ее
переключения — но это, в среднем, доли микроватта). ТТЛ-вариант схемы
логического элемента И-НЕ дан на рис. 5, в. Из рассмотрения рисунка вполне
очевидно, что схема представляет собой стандартный элемент И (рис. 5, в), к
которому добавлен выходной стандартный усилитель — от инвертора (см. рис.
7, б). Условные изображения логического элемента И-НЕ дана на рис. 9, г.
[pic]
Рис. 9. Логический элемент И-НЕ, выполненный на МОП-транзисторах с
га-каналами (а), многоэмиттерном биполярном транзисторе и
дополнительном усилителе (б), комплементарных МОП-транзисторах (в) и
условные графические обозначения элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ в электронных
схемах (г)
Логические элементы ИЛИ-НЕ.
Изменив схему логического элемента ИЛИ на МОП-транзисторах возможно
получить новый, более универсальный элемент ИЛИ-НЕ, осуществляющий
одновременно с логическим сложением ИЛИ и логическое отрицание (инверсию)
НЕ. Для этого активные элементы должны быть использованы не в режиме
повторителей (как в схеме рис. 6, б), а в режиме усилителей-инверторов, что
легко достигается перенесением общего сопротивления нагрузки из цепи
истоков в цепь стоков. На рис. 10, а приведена такая схема логического
элемента ИЛИ-НЕ. При сигналах логического 0 на входах А и В транзисторы VT2
и VT3 заперты, а поскольку транзистор VT1 постоянно открыт и играет роль
сопротивления нагрузки, то на выходе Q действует положительное напряжение
логической 1. Если на одном из входов А или В (или одновременно на двух)
действует положительное, напряжение, соответствующее логической 1, то
транзистор VT2 или VT3 или оба вместе оказываются открытыми и напряжение на
выходе Q снижается до нескольких десятых долей-единиц вольт, т. е. до
уровня напряжения логического 0.
[pic] [pic]
[pic]
Рис. 10. Логические элементы ИЛИ-НЕ, выполненные на биполярных
транзисторах (а), МОП-транзисторах с n-каналами (б), комплиментарных
парах МОП-транзисторов (в).
Существенно снизить потребление энергии питания и увеличить
быстродействие позволяет использование КМОП-транзисторов. В частности, на
рис. 10, б приведена схема такого вида. Транзисторы VT1 и VT2 имеют р-
каналы и открываются, если на их затворы подается напряжение логического 0
(так как на их затворы, соединенные с плюсом источника питания, подается
отрицательное напряжение в отпирающей полярности). При этом транзисторы VT3
и VT4, имеющие n-каналы, оказываются запертыми и напряжение на выходе Q
близко к напряжению источника питания, т. е. к напряжению логической 1.
Если хотя бы на одном из входов действует напряжение логической 1, то один
из транзисторов VT1 или VT2 закрывается, а поскольку они соединены
последовательно, схема отключается от источника питания и на выходе Q
напряжение равно 0. В добавление к этому открывается один из транзисторов
VT3 или VT4 (включенных параллельно) и выход соединяется с общим проводом
через весьма малое сопротивление 100—300 Ом. Таким образом, элемент
действует в полном соответствии с таблицей истинности ИЛИ-НЕ (табл. 5.).
Следует отметить, что схема чрезвычайно экономична и потребляет ток только
в очень краткие мгновения, во время переключения, когда одни транзисторы
открываются, а другие еще не успели закрыться.
ТТЛ-вариант конструктивного исполнения схемы ИЛИ-НЕ на биполярных
транзисторах приведен на рис. 10, в. Из рассмотрения рисунка видно, что
схема объединяет в себе двухвходовый элемент ИЛИ (рис. 6, а) и инвертор НЕ
(см. рис. 7, б). Если на входах А и В действуют напряжения логических 0, то
переходы база - эмиттер транзисторов VT1 и VT4 открыты и через них
протекает ток, минуя переходы база - коллектор. Вследствие этого заперты
суммирующие транзисторы VT2 и VT3. Поэтому на базу транзистора VT5 через
резистор R4 подается напряжение питания, полностью его отпирающее, в
результате чего на выход Q поступает положительное напряжение,
соответствующее логической 1. Транзистор VT6, включенный параллельно выходу
Q, при этом заперт и тока не проводит, ибо на его базу не подается
напряжение (с резистора R2). Если хотя бы на одном из входов А или В
действует напряжение логической 1, один из суммирующих транзисторов VT2 или
VT3 отпирается, напряжение в точке соединения их коллекторов резко падает,
что приводит к запиранию транзистора VT5 и на вход перестает поступать
положительное напряжение. При этом оказывается открытым транзистор VT6
шунтирующий своим малым сопротивлением выход, поскольку на его базу
начинает подаваться напряжение, снимаемое с резистора R2, включенного в
цепь эмиттеров суммирующих транзисторов VT2, VT3 (один из которых проводит
ток). Таким образом, схема работает в полном соответствии с табл. 5.
Условное изображения логического элемента ИЛИ-НЕ дана на рис. 9, г.
В рассмотренных схемах логических элементов для упрощения
показывалось, как правило, лишь два входа. Это совсем не означает, что в
реальных схемах их только два - их может быть значительно больше, до 8-10.
И есть специальные устройства - расширители, которые позволяют увеличить
число входов. Однако в случае необходимости можно увеличить число входов
элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ способом наращивания, объединяя последовательно-
параллельно несколько отдельных микросхем с меньшим числом входов. При этом
может возникнуть проблема: что делать с оставшимися свободными входами?
Если применены элементы И в ТТЛ-исполнении, то все свободные входы надо
соединить вместе и подключить через резистор в 1 - 2 кОм к плюсу источника
питания (+5 В). Свободные входы можно соединить с используемыми, но это не
всегда желательно, ибо увеличивается нагрузка на источник сигнала. В МОП и
КМОП-схемах И свободные входы можно соединять непосредственно с плюсом
источника питания.
Несколько сложнее наращивание в случае элементов ИЛИ-НЕ, И-НЕ, где
приходится использовать дополнительные инверторы.
В современной цифровой технике в настоящее время доминируют четыре
семейства логических микросхем в интегральном исполнении: ТТЛ; ТТЛШ; КМОП и
ЭСЛ, выпускаемые во всем мире сотнями миллионов штук ежегодно. При этом
наиболее широко применяются для построения цифровых информационно-
измерительных геофизических устройств микросхемы ТТЛ, ТТЛШ и КМОП. Цифровые
микросхемы семейства ЭСЛ, пока не имеющие себе равных по быстродействию
(доли наносекунды), потребляют слишком много энергии питания и используются
преимущественно для создания сверхбыстродействующих ЭВМ универсального
применения.
Все логические элементы выпускаются в виде микросхем в интегральном
исполнении и маркируются стандартным семиэлементным кодом. При этом третий
элемент маркировки — две буквы — обозначает: ЛИ — элемент И; ЛН — элемент
НЕ; ЛЛ — элемент ИЛИ; ЛА — элемент И-НЕ; ЛЕ — элемент ИЛИ-НЕ; ЛС — элемент
И-ИЛИ; ЛБ — элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ; ЛР — элемент И-ИЛИ-НЕ; Л К — элемент И-ИЛИ-
НЕ/И-ИЛИ; ЛМ— элемент ИЛИ-НЕ/ИЛИ; ЛД — расширители; ЛП — прочие типы
элементов (в том числе исключающее ИЛИ); ХЛ — многофункциональные элементы.
Список использованной литературы
1. Бобровников Л. З. Радиотехника и электроника. М. Недра, 1990 г.
2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных приборах. Л.
Энергия, 1978 г.
3. Ямпольский В. С. Основы автоматики и вычислительной техники. М.
Просвещение, 1991 г.
4. Нефёдов В. И. Основы радиоэлектроники. М. Высшая школа, 1994 г.
-----------------------
?
+V
Таблица 1
Функциональная таблица (таблица истинности) И
А В
Q
0
††††††?†††††††††††††††††††?‰†††††††††††††††††††?††††††††††††††††††??††††††††
††††††††††† 0 0
0 1
0
1 0
0
1 1
1
Выход
А
В
Световой
индикатор
К1 К2 К3
Таблица 2
Функциональная таблица (таблица истинности) ИЛИ
А В
Q
0 0
0
0 1
1
1 0
1
1 1
1
Таблица 3
Функциональная таблица (таблица истинности) НЕ
А Q
0 0
0 1
Таблица 4.
Функциональная таблица (таблица истинности) И-НЕ
A B Q
0 0 1
1 0 1
0 1 1
1 1 0
Таблица 5.
Функциональная таблица
(таблица истинности) ИЛИ-НЕ.
А В Q
0 0 1
1 0 0
0 1 0
1 1 0
б
а
|
