Логические элементы. Логическая операция И.
Логические элементы. Логическая операция ИЛИ.
Логические элементы. Логическая операция НЕ.
Логические операции реализуются с использованием электрических схем, которые называются логическими элементами. Они изготавливаются в виде интегральных микросхем в большинстве своем на базе диодов и транзисторов, либо только транзисторов. В связи с этим различают два типа логических элементов: ДТЛ (диодно-транзисторная логика) и ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). На рис. 7.2 представлены схемные обозначения элементов, выполняющих простейшие логические операции. При этом элементы “ИЛИ” и “И” – двухвходовые, т.е. выполняющие операции с двумя входными переменными. Однако промышленностью выпускаются логические элементы “ИЛИ” и “И” с большим числом входных клемм.
Рисунок 7.2. Схемное обозначение логических элементов
На рис. 7.3 приведена схема на диодах, с помощью которой реализуется операция логического сложения. Действительно, при отсутствии на входах этой схемы сигналов (x 
= 0, гдеi = 1, 2, … n)все диоды будут находиться в закрытом состоянии и на резисторе падение напряжения равно нулю(F = 0).При подаче хотя бы на один вход схемы сигнала положительной полярности диод, установленный на этом входе, перейдет в открытое состояние. Через него и последовательно включенный с ним резисторRбудет протекать ток, падение напряжения на резисторе будет отличаться от нуля.F = 1.
|
|
|
Рисунок 7.3. Реализация Рисунок 7.4. Реализация логической логической операции операции «И» на диодах
«ИЛИ» на диодах
Нетрудно также показать, что схема на рис. 7.4 обеспечивает выполнение операции “И”. Через резистор R 
будет протекать ток, и с этого резистора будет сниматься напряжение, равноеUвых = ER /(R 
+ R ), т.е. F = 1, когда катоды всех диодов будут под положительным потенциалом, превышающим величинуUвых (x = 1), а, следовательно, все диоды будут закрыты. Если хотя бы на одном входе схемы сигнал отсутствует, соответствующий диод будет открыт, и через него будет протекать ток в обход резистораR , поскольку его сопротивление выбирается много больше сопротивления открытого диода. Падение напряжения на резистореR в данном случае будет равно нулю.F = 0.
Операция “НЕ” может быть реализована на биполярном транзисторе типа n-p-n, включенного по параллельному варианту построения ключевой схемы (рис. 4.2.а). Как было показано в разделе 4.1, при подаче на вход схемы сигнала положительной полярности определенного уровня(x = 1) транзистор будет находиться в открытом состоянии, т.е. в точке “б” на рис. 4.4,б. Этому режиму транзистора соответствует очень малая величина напряжения коллектор-эмиттер, ΔUКЭ ОТК, которая является выходом схемы,F = 0. При отсутствии на входе сигнала(x = 0)транзистор будет закрыт (точка «а» на рис. 4.4,в), и с выхода схемы снимается напряжение, практически равное+Е, т.е. F = 1.
|
|
|
Следует отметить, что напряжение на выходе схем рис.7.3 и 7.4, равное нулю, обеспечиваются лишь при идеальном шунтировании резистора, с которого снимается выходное напряжение открытыми диодами. При реализации логической операции «НЕ» из-за наличия остаточного напряжения на открытом транзисторе выходное напряжение также отличается от нуля. Таким образом, в реальных логических элементах логическим нулем, фактически, является не нулевое, а малая величина напряжения. В связи с этим в справочных данных обычно вместо «0» указывается «н» (низкий уровень напряжения) и соответственно вместо «1» указывается «в» (высокий уровень напряжения).
Логические элементы выпускаются промышленностью в виде серий. Элементы каждой серии, выполняющие различные операции, могут сопрягаться в сложную схему логического устройства. Элементы серии создаются на базе основного элемента, который обычно выполняет операции “ИЛИ-НЕ” или “И-НЕ”. Математическая форма представления этих операций имеет вид:
|
|
|
F = 
иF = 
.
Схемы, реализующие операции “ИЛИ-НЕ” и “И-НЕ”, могут быть получены при последовательном соединении двух схем, выполняющих операции соответственно “ИЛИ”-“НЕ” и “И”-“НЕ”, что показано на рис. 7.5,а и 7.6,а для случая двухвходовых элементов. Схемные обозначения элементов “ИЛИ-НЕ” и “И-НЕ” представлены на рис. 7.5,б и 7.6,б, а таблицы истинности – в табл. 7.4 и 7.5.
Рисунок 7.5. Логическая операция «ИЛИ-НЕ»:
а – принцип реализации операции,
б - схемное обозначение логического элемента
Рисунок 7.6. Логическая операция «И-НЕ»:
а – принцип реализации операции,
б - схемное обозначение логического элемента
Рисунок 7.7. Реализация логической операции «И-НЕ»
на транзисторах
На рис. 7.7 представлена схема на транзисторах, реализующая логическую операцию “И-НЕ”. Особенностью этой схемы является использование многоэмиттерного транзистора Т 
, которым заменяется диодная часть элемента “И-НЕ”, выполняющего операцию “И”. В многоэмиттерном транзисторе эмиттерный слой состоит из нескольких областей при общих базовом и коллекторном слоях. Принцип работы схемы рис. 7.7 следующий. Если на все эмиттерные входы транзистораТ будет подано положительное напряжение, равноеЕ 
(т.е. всеx = 1), все эмиттерные переходы транзистора будут закрыты, а его ток базы будет протекать через открытый коллекторный переход, обусловливая протекание коллекторного тока, который одновременно является базовым током транзистораТ 
. ТранзисторТ 
, который выполняет операцию логического отрицания, в этом случае будет находиться в открытом состоянии, и на его выходе напряжение будет практически отсутствовать(F = 0). При отсутствии хотя бы на одном эмиттерном входе транзистораТ сигнала положительной полярности, ток, протекающий через резисторRи через соответствующий открытый эмиттерный переход, будет замыкаться по цепи этого эмиттерного входа. Базовый ток транзистораТ будет равен нулю, поскольку суммарное сопротивление коллекторного перехода транзистораТ и базового слоя транзистораТ оказывается довольно большим по сравнению с сопротивлением открытого эмиттерного перехода транзистораТ . ТранзисторТ поэтому будет находиться в закрытом состоянии, и на его выходе напряжение будет близко к величине+Е , т.е.F = 1.
|
|
|
Рисунок 7.8. Схемы реализации логических операций на элементах «И-НЕ»
а – операции «НЕ», б – операции «И», в - операции «ИЛИ»
Логические элементы «ИЛИ-НЕ» и «И-НЕ» называют базовыми, поскольку схемы, составленные только из этих элементов одного типа, позволяют реализовывать простейшие логические операции. Это нетрудно доказать с использованием формул алгебры логики, например, на схемах, составленных из элементов «И-НЕ», которые приведены на рис. 7.8.
На вход элемента схемы рис. 7.8,а подаются две одинаковых переменных x. Поэтому согласно тождествам (7.11) и (7.1)
F = 
= 
+ = .
Таким образом, схема рис. 7.8,а выполняет операцию “НЕ”.
В качестве выходного каскада схемы рис. 7.8,б используется элемент “И-НЕ”, включенный по схеме рис. 7.8,а. Он инвертирует информацию, поступающую с входа первого элемента. Если учесть тождество (7.9), то
F = 
=xy.
Следовательно, схема рис. 7.8,б выполняет операцию “И”.
Информация, поступающая на каждый входной элемент схемы рис. 7.8,в, инвертируется, т.е. и 
. Тогда последовательное использование тождеств (7.11) и (7.9) позволяет показать, что эта схема реализует операцию логического сложения “ИЛИ”
F = 
= 
+ 
= x + y.
К основным показателям логических элементов, в первую очередь, относят быстродействие, потребляемую мощность и помехоустойчивость. Быстродействие характеризуется временем задержки реакции выходного сигнала при изменении сигнала на входе элемента. Время задержки логических элементов обычно составляет 0,01 – 0,3 мкс. Их потребляемая мощность обычно находится в пределах от 1 мкВт до 250 мВт и связана с быстродействием: потребляющие большую мощность элементы имеют более высокое быстродействие. При работе логических элементов в составе аппаратуры возможны случаи ложного срабатывания под действием напряжений помех, попадающих на вход микросхемы. Мерой невосприимчивости элементов к помехам является помехоустойчивость, которая зависит от структуры микросхемы, режима работы в ней транзисторов, величины питающего напряжения
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 549; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!