Eine typische Schaltung eines integrierten Elements emittergekoppelter Logik ist in Abb. dargestellt. 2.15.

Reis. 2.15.

Die Transistoren VT 0, VT 1, VT 2, VT 3 arbeiten im Stromschalterkreis, die Transistoren VT 4, VT 5 - in den Ausgangsemitterfolgern. Das Diagramm zeigt die Potentialwerte an verschiedenen Punkten, wenn am Eingang ein Spannungspegel von log.1 anliegt; Die Werte der Potentiale derselben Punkte sind in Klammern angegeben für den Fall, dass an allen Eingängen des Elements ein Spannungspegel von log.0 anliegt. Die Werte dieser Potenziale entsprechen den folgenden Ebenen:

· Versorgungsspannung Ek = 5 V;

· Logikpegel 1 U 1 = 4,3 V;

· Logikpegel 1 U 0 = 3,5 V;

· die Spannung zwischen Basis und Emitter des offenen Transistors U sei = 0,7 V.

Betrachten wir das Funktionsprinzip des integrierten logischen Elements ESL (siehe Abb. 2.15).

An In 1 soll die Spannung U 1 = 4,3 V angelegt werden. Transistor VT 1 ist offen; der Emitterstrom dieses Transistors erzeugt einen Spannungsabfall am Widerstand R U a = U 1 -U be = 4,3 - 0,7 = 3,6 V; der Kollektorstrom erzeugt am Widerstand Rk1 eine Spannung U Rк1 = 0,8 V; Spannung am Kollektor des Transistors U b = E k - U Rk1 = 5 - 0,8 = 4,2 V.

Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors VT 0 U sei VT0 = U - U a = 3,9 - 3,6 = 0,3 V; Diese Spannung reicht nicht aus, um den Transistor VT 0 zu öffnen. Somit führt der offene Zustand eines der Transistoren VT 1, VT 2, VT 3 zum geschlossenen Zustand des Transistors VT 0. Der Strom durch den Widerstand R k2 ist sehr klein (nur der Basisstrom des Transistors VT 5 fließt) und die Spannung am Kollektor VT 0.

Betrachten wir einen anderen Zustand des logischen Elements. An allen Eingängen soll eine Spannung von log.0 U 0 = 3,5 V anliegen. In diesem Fall erweist sich der Transistor VT 0 als offen (von allen Transistoren, deren Emitter zusammengefasst sind, öffnet derjenige mit der höheren Spannung an seiner Basis ); U a = U - U be = 3,9 - 0,7 = 3,2 V; die Spannung zwischen Basis und Emitter der Transistoren VT 1, VT 2, VT 3 ist gleich U be VT1...VT0 = U 0 - U a = 3,5 - 0,7 = 0,3 V und diese Transistoren sind geschlossen; U b = 5 V; U in = 4,2 V.

Spannungen von den Punkten b und c werden über Emitter-Repeater an die Ausgänge des Elements übertragen; in diesem Fall sinkt der Spannungspegel um den Wert U be = 0,7 V. Beachten wir die wichtige Tatsache, dass die Spannungen an den Ausgängen gleich U 1 (4,3 V) bzw. U 0 (3,5 V) sind.

Lassen Sie uns herausfinden, welche logische Funktion an den Ausgängen des Elements gebildet wird.

Am Punkt und an Out 2 wird eine Spannung mit niedrigem Pegel erzeugt, wenn der Transistor VT 0 geöffnet ist, d. h. in dem Fall, in dem x 1 = 0, x 2 = 0, x 3 = 0. Für jede andere Kombination von Eingangsvariablenwerten ist der Transistor VT 0 geschlossen und an Out 2 wird eine Spannung mit hohem Pegel erzeugt. Daraus folgt, dass bei Out 2 eine Disjunktion der Variablen x 1 Vx 1 Vx 1 gebildet wird. Am Ausgang 1 wird die OR-NOT-Funktion gebildet.

Daher führt das Logikgatter NOR- und OR-Operationen durch.

In ESL-Mikroschaltungen wird Punkt g gemeinsam gemacht und Punkt d mit einer Stromquelle mit einer Spannung von -5 V verbunden. In diesem Fall werden die Potentiale aller Punkte des Stromkreises auf 5 V reduziert.

Die Zugehörigkeit des betrachteten logischen Elements zur Klasse der am schnellsten wirkenden Elemente (kurze Verzögerungszeit der Signalausbreitung) wird durch folgende Faktoren gewährleistet: Offene Transistoren befinden sich im aktiven Modus (nicht im Sättigungsmodus); die Verwendung von Emitterfolgern an den Ausgängen beschleunigt das Aufladen der an die Ausgänge angeschlossenen Kondensatoren; Transistoren sind nach einem Schaltkreis mit gemeinsamer Basis verbunden, was die Frequenzeigenschaften der Transistoren verbessert und ihren Schaltvorgang beschleunigt; Der Unterschied der logischen Pegel U 1 -U 0 = 0,8 V wurde klein gewählt (dies führt jedoch zu einer relativ geringen Störfestigkeit des Elements).

Logikelemente basierend auf MOS-Transistoren

Reis. 2.16

In Abb. Abbildung 2.16 zeigt ein Diagramm eines Logikelements mit einem induzierten Kanal vom Typ n (die sogenannte n-MIS-Technologie). Die Haupttransistoren VT 1 und VT 2 sind in Reihe geschaltet, der Transistor VT 3 fungiert als Last. Wenn an beiden Eingängen des Elements eine hohe Spannung U 1 anliegt (x 1 = 1, x 2 = 1), sind beide Transistoren VT 1 und VT 2 geöffnet und am Ausgang stellt sich eine niedrige Spannung U 0 ein. In allen anderen Fällen ist mindestens einer der Transistoren VT 1 oder VT 2 geschlossen und am Ausgang stellt sich die Spannung U 1 ein. Somit führt das Element die logische UND-NICHT-Funktion aus.

Reis. 2.17

In Abb. Abbildung 2.17 zeigt ein Diagramm des OR-NOT-Elements. An seinem Ausgang stellt sich eine niedrige Spannung U 0 ein, wenn an mindestens einem der Eingänge eine hohe Spannung U 1 anliegt, wodurch einer der Haupttransistoren VT 1 und VT 2 geöffnet wird.

Reis. 2.18

In Abb. dargestellt. Das Diagramm 2.18 ist ein Diagramm des NOR-NOT-Elements der KMDP-Technologie. Darin sind die Transistoren VT 1 und VT 2 die Haupttransistoren, die Transistoren VT 3 und VT 4 die Lasttransistoren. Sei Hochspannung U 1. In diesem Fall ist der Transistor VT 2 geöffnet, der Transistor VT 4 geschlossen und unabhängig vom Spannungspegel am anderen Eingang und dem Zustand der übrigen Transistoren stellt sich am Ausgang eine niedrige Spannung U 0 ein. Das Element implementiert die logische OR-NOT-Operation.

Die CMPD-Schaltung zeichnet sich durch einen sehr geringen Stromverbrauch (und damit Strom) aus den Netzteilen aus.

Logikelemente der integralen Injektionslogik

Reis. 2.19

In Abb. Abbildung 2.19 zeigt die Topologie des logischen Elements der integralen Injektionslogik (I 2 L). Um eine solche Struktur zu erzeugen, sind zwei Phasen der Diffusion in Silizium mit n-Leitfähigkeit erforderlich: Während der ersten Phase werden die Bereiche p 1 und p 2 gebildet, und während der zweiten Phase werden die Bereiche n 2 gebildet.

Das Element hat die Struktur p 1 -n 1 -p 2 -n 1 . Es ist zweckmäßig, eine solche vierschichtige Struktur zu betrachten, indem man sie sich als eine Verbindung zweier herkömmlicher dreischichtiger Transistorstrukturen vorstellt:

P 1 - N 1 - P 2 N 1 - P 2 - N 1

Das dieser Darstellung entsprechende Diagramm ist in Abb. 2.20, a dargestellt. Betrachten wir die Funktionsweise des Elements gemäß diesem Schema.

Reis. 2.20

Der Transistor VT 2 mit einer Struktur vom Typ n 1 -p 2 -n 1 übernimmt die Funktionen eines Wechselrichters mit mehreren Ausgängen (jeder Kollektor bildet einen separaten Ausgang eines Elements gemäß einer offenen Kollektorschaltung).

Transistor VT 2, genannt Injektor, hat eine Struktur wie p 1 -n 1 -p 2 . Da die Fläche n 1 dieser Transistoren gemeinsam ist, muss der Emitter des Transistors VT 2 mit der Basis des Transistors VT 1 verbunden werden; Das Vorhandensein eines gemeinsamen Bereichs p 2 führt dazu, dass die Basis des Transistors VT 2 mit dem Kollektor des Transistors VT 1 verbunden werden muss. Dadurch entsteht eine Verbindung zwischen den Transistoren VT 1 und VT 2, dargestellt in Abb. 2.20a.

Da der Emitter des Transistors VT 1 ein positives Potenzial hat und die Basis auf Nullpotenzial liegt, ist der Emitterübergang in Durchlassrichtung vorgespannt und der Transistor ist offen.

Der Kollektorstrom dieses Transistors kann entweder über den Transistor VT 3 (Inverter des vorherigen Elements) oder über den Emitterübergang des Transistors VT 2 geschlossen werden.

Befindet sich das vorherige logische Element im offenen Zustand (Transistor VT 3 ist offen), liegt am Eingang dieses Elements ein niedriger Spannungspegel an, der auf Basis von VT 2 diesen Transistor im geschlossenen Zustand hält. Der Injektorstrom VT 1 wird über den Transistor VT 3 geschlossen. Wenn das vorherige Logikelement geschlossen ist (Transistor VT 3 ist geschlossen), fließt der Kollektorstrom des Injektors VT 1 in die Basis des Transistors VT 2, und dieser Transistor ist in den offenen Zustand versetzt.

Wenn also VT 3 geschlossen ist, ist der Transistor VT 2 offen, und umgekehrt ist der Transistor VT 2 geschlossen, wenn VT 3 offen ist. Der offene Zustand des Elements entspricht dem log.0-Zustand und der geschlossene Zustand entspricht dem log.1-Zustand.

Der Injektor ist eine Gleichstromquelle (die einer Gruppe von Elementen gemeinsam sein kann). Oft verwenden sie die herkömmliche grafische Bezeichnung eines Elements, dargestellt in Abb. 2.21, geb.

In Abb. Abbildung 2.21a zeigt eine Schaltung, die die OR-NOT-Operation implementiert. Der Anschluss von Elementkollektoren entspricht der Funktionsweise der sogenannten Installation I. Tatsächlich reicht es aus, dass sich mindestens eines der Elemente im offenen Zustand (log.0-Zustand) befindet, dann wird der Injektorstrom des nächsten Elements über den offenen Wechselrichter geschlossen und ein niedriger log.0-Pegel wird hergestellt die kombinierte Ausgabe der Elemente. Folglich wird an diesem Ausgang ein Wert gebildet, der dem logischen Ausdruck x 1 · x 2 entspricht. Die Anwendung der De-Morgan-Transformation darauf führt zum Ausdruck x 1 · x 2 = . Daher implementiert diese Verbindung von Elementen tatsächlich die OR-NOT-Operation.

Reis. 2.21

Logikelemente AND 2 L haben folgende Vorteile:

· ein hohes Maß an Integration bieten; Bei der Herstellung von I 2 L-Schaltkreisen werden die gleichen technologischen Prozesse verwendet wie bei der Herstellung integrierter Schaltkreise auf Bipolartransistoren, jedoch ist die Anzahl der technologischen Vorgänge und der erforderlichen Fotomasken geringer;

· es wird eine reduzierte Spannung verwendet (ca. 1 V);

· die Möglichkeit bieten, Strom über einen weiten Leistungsbereich auszutauschen (der Stromverbrauch kann sich um mehrere Größenordnungen ändern, was entsprechend zu einer Leistungsänderung führt);

· stimmen gut mit TTL-Elementen überein.

In Abb. Abbildung 2.21b zeigt ein Diagramm des Übergangs von den I 2 L-Elementen zum TTL-Element.

Logikelemente arbeiten als unabhängige Elemente in Form von Mikroschaltungen mit niedrigem Integrationsgrad und sind in Form von Komponenten in Mikroschaltungen mit höherem Integrationsgrad enthalten. Es gibt Dutzende solcher Elemente.

Aber zunächst werden wir nur über vier davon sprechen – das sind die Elemente UND, ODER, NICHT, UND-NICHT. Die Hauptelemente sind die ersten drei, und das AND-NOT-Element ist bereits eine Kombination der AND- und NOT-Elemente. Diese Elemente können als „Bausteine“ der digitalen Technologie bezeichnet werden. Zunächst sollten wir uns überlegen, was die Logik ihres Handelns ist.

Erinnern wir uns an den ersten Teil des Artikels über digitale Mikroschaltungen. Dort hieß es, dass die Spannung am Eingang (Ausgang) der Mikroschaltungen im Bereich von 0...0,4 V ein logischer Nullpegel oder eine niedrige Spannung sei. Wenn die Spannung zwischen 2,4 und 5,0 V liegt, handelt es sich um einen logischen Eins-Pegel oder einen hohen Spannungspegel.

Der Betriebszustand von Mikroschaltungen der K155-Serie und anderen Mikroschaltungen mit einer Versorgungsspannung von 5 V ist durch genau diese Pegel gekennzeichnet. Liegt die Spannung am Ausgang des Mikroschaltkreises im Bereich von 0,4...2,4V (zum Beispiel 1,5 oder 2,0V), dann kann man bereits über den Austausch dieses Mikroschaltkreises nachdenken.

Praktischer Rat: Um sicherzustellen, dass der Ausgang dieses Mikroschaltkreises fehlerhaft ist, sollten Sie den Eingang des daneben liegenden Mikroschaltkreises (oder mehrere mit dem Ausgang dieses Mikroschaltkreises verbundene Eingänge) davon trennen. Diese Eingänge können den Ausgang der Mikroschaltung einfach „ankurbeln“ (überlasten).

Konventionelle grafische Symbole

Das grafische Symbol ist ein Rechteck, das Eingabe- und Ausgabezeilen enthält. Links befinden sich die Eingabeleitungen der Elemente, rechts die Ausgabeleitungen. Gleiches gilt für ganze Blätter mit Schaltkreisen: Auf der linken Seite befinden sich alle Eingangssignale, auf der rechten Seite die Ausgänge. Es ist wie eine Zeile in einem Buch, von links nach rechts, sodass man es sich leichter merken kann. Innerhalb des Rechtecks ​​​​befindet sich ein Symbol, das die vom Element ausgeführte Funktion angibt.

Wir beginnen unsere Betrachtung logischer Elemente mit dem UND-Element.

Abbildung 1. UND-Gatter

Das grafische Symbol ist in Abbildung 1a dargestellt. Das Symbol für die UND-Funktion ist das englische Symbol „&“, das im Englischen die Konjunktion „and“ ersetzt, schließlich wurde diese ganze „Pseudowissenschaft“ in der verdammten Bourgeoisie erfunden.

Die Eingänge des Elements werden mit X mit den Indizes 1 und 2 bezeichnet, der Ausgang als Ausgangsfunktion mit dem Buchstaben Y. Einfach, wie zum Beispiel in der Schulmathematik, Y = K*X oder allgemein , Y = f(x) . Ein Element kann mehr als zwei Eingaben haben, was nur durch die Komplexität des zu lösenden Problems begrenzt ist, aber es kann nur eine Ausgabe geben.

Die Funktionslogik des Elements ist wie folgt: Am Ausgang Y liegt nur dann eine Spannung mit hohem Pegel an, wenn UND am Eingang X1 UND am Eingang X2 eine Spannung mit hohem Pegel anliegt. Wenn das Element über 4 oder 8 Eingänge verfügt, muss die angegebene Bedingung (Vorliegen eines High-Pegels) an allen Eingängen erfüllt sein: UND an Eingang 1, UND an Eingang 2, UND an Eingang 3…..UND an Eingang N. Nur in diesem Fall wird die Leistung ebenfalls hoch sein.

Um das Verständnis der Logik der Funktionsweise des UND-Elements zu erleichtern, zeigt Abbildung 1b sein Analogon in Form eines Kontaktdiagramms. Hier wird der Ausgang des Elements Y durch die Lampe HL1 dargestellt. Wenn die Lampe aufleuchtet, entspricht dies einem hohen Pegel am Ausgang des UND-Elements. Solche Elemente werden oft als 2-I, 3-I, 4-I, 8-I bezeichnet. Die erste Ziffer gibt die Anzahl der Eingänge an.

Als Eingangssignale X1 und X2 werden gewöhnliche „Klingel“-Taster ohne Fixierung verwendet. Der offene Zustand der Tasten ist ein Low-Level-Zustand und der geschlossene Zustand ist natürlich ein High-Level. Das Diagramm zeigt eine galvanische Batterie als Stromquelle. Im geöffneten Zustand der Tasten leuchtet die Lampe natürlich nicht. Die Lampe schaltet sich nur ein, wenn beide Tasten gleichzeitig gedrückt werden, d. h. I-SB1, I-SB2. Dies ist die logische Verbindung zwischen den Ein- und Ausgangssignalen des UND-Elements.

Eine visuelle Darstellung der Funktionsweise des UND-Elements kann durch Betrachtung des in Abbildung 1c dargestellten Zeitdiagramms erhalten werden. Am X1-Eingang erscheint zunächst ein High-Pegel-Signal, am Y-Ausgang passiert jedoch nichts, es liegt immer noch ein Low-Pegel-Signal an. Am Eingang X2 erscheint das Signal mit einer gewissen Verzögerung gegenüber dem ersten Eingang und am Ausgang Y erscheint ein High-Pegel-Signal.

Wenn Eingang X1 auf Low geht, geht auch der Ausgang auf Low. Oder anders ausgedrückt: Der Ausgang wird so lange hoch gehalten, wie beide Eingänge hoch sind. Das Gleiche gilt für weitere UND-Elemente mit mehreren Eingängen: Wenn es 8-I ist, muss der hohe Pegel an allen acht Eingängen gleichzeitig aufrechterhalten werden, um am Ausgang einen hohen Pegel zu erhalten.

Am häufigsten wird in der Referenzliteratur der Ausgangszustand von Logikelementen in Abhängigkeit von den Eingangssignalen in Form von Wahrheitstabellen angegeben. Für das betrachtete Element 2-I ist die Wahrheitstabelle in Abbildung 1d dargestellt.

Die Tabelle ähnelt in gewisser Weise der Multiplikationstabelle, ist jedoch kleiner. Wenn Sie es genau studieren, werden Sie feststellen, dass der Ausgangspegel nur dann hoch ist, wenn an beiden Eingängen eine hohe Spannung oder, was dasselbe ist, eine logische Eins anliegt. Der Vergleich der Wahrheitstabelle mit der Multiplikationstabelle ist übrigens alles andere als zufällig: Elektroniker kennen alle Wahrheitstabellen, wie man sagt, auswendig.

Auch die UND-Funktion kann mit beschrieben werden. Für ein Element mit zwei Eingaben sieht die Formel wie folgt aus: Y = X1*X2 oder eine andere Schreibweise: Y = X1^X2.

Als nächstes schauen wir uns das OP-Tor an.

Abbildung 2. ODER-Gatter

Seine grafische Notation ähnelt dem gerade besprochenen UND-Element, außer dass anstelle des &-Zeichens, das die UND-Funktion angibt, die Zahl 1 in das Rechteck eingeschrieben ist, wie in Abbildung 2a dargestellt. In diesem Fall bezeichnet es die ODER-Funktion. Links befinden sich die Eingänge X1 und X2, von denen es wie bei der UND-Funktion auch mehrere geben kann, und rechts der Ausgang, bezeichnet mit dem Buchstaben Y.

In Form einer booleschen Algebraformel wird die ODER-Funktion als Y = X1 + X2 geschrieben.

Nach dieser Formel ist Y wahr, wenn OR am Eingang X1, OR am Eingang X2, OR an beiden Eingängen gleichzeitig ein High-Pegel anliegt.

Das in Abbildung 2b dargestellte Kontaktdiagramm hilft Ihnen, das gerade Gesagte zu verstehen: Durch gleichzeitiges Drücken einer der Tasten (hohe Stufe) oder beider Tasten leuchtet die Glühbirne auf (hohe Stufe). In diesem Fall handelt es sich bei den Tasten um die Eingangssignale X1 und Die gezeigte Kontaktschaltung mit dem Diagramm und der Tabelle verschwindet, da alle Fragen verschwinden.

NICHT Gate, Wechselrichter

Wie ein Lehrer sagte, gibt es in der Digitaltechnik nichts Komplizierteres als einen Wechselrichter. Vielleicht stimmt das tatsächlich.

In der logischen Algebra wird die Operation NICHT als Inversion bezeichnet, was aus dem Englischen übersetzt Negation bedeutet, d. h. der Ausgangssignalpegel entspricht genau dem Gegenteil des Eingangssignals, das in Form einer Formel wie Y = /X aussieht

(Der Schrägstrich vor dem X bezeichnet die tatsächliche Umkehrung. Normalerweise wird anstelle eines Schrägstrichs ein Unterstrich verwendet, obwohl eine solche Bezeichnung durchaus akzeptabel ist.)

Die symbolische grafische Bezeichnung des Elements ist KEIN Quadrat oder Rechteck mit der darin geschriebenen Zahl 1.

Abbildung 3. Wechselrichter

In diesem Fall bedeutet dies, dass es sich bei diesem Element um einen Wechselrichter handelt. Es hat nur einen Eingang X und einen Ausgang Y. Die Ausgangszeile beginnt mit einem kleinen Kreis, der tatsächlich anzeigt, dass es sich bei diesem Element um einen Wechselrichter handelt.

Wie gerade gesagt, ist der Wechselrichter die komplexeste Schaltung in der Digitaltechnik. Und das bestätigt auch sein Kontaktplan: Reichten früher nur Tasten aus, so ist jetzt ein Relais dazugekommen. Während die SB1-Taste nicht gedrückt ist (logische Null am Eingang), ist das Relais K1 stromlos und seine normalerweise geschlossenen Kontakte schalten die HL1-Glühbirne ein, was einer logischen Eins am Ausgang entspricht.

Wenn Sie die Taste drücken (eine logische Eins an den Eingang anlegen), schaltet sich das Relais ein, die Kontakte K1.1 öffnen sich, das Licht erlischt, was einer logischen Null am Ausgang entspricht. Dies wird durch das Zeitdiagramm in Abbildung 3c und die Wahrheitstabelle in Abbildung 3d bestätigt.

Das logische Element AND-NOT ist nichts anderes als eine Kombination des logischen Elements AND mit dem Element NOT.

Abbildung 4. NAND-Gatter

Daher gibt es in seiner herkömmlichen grafischen Bezeichnung ein Zeichen & (logisches UND) und die Ausgabezeile beginnt mit einem Kreis, der das Vorhandensein eines Wechselrichters im Element anzeigt.

Das Kontaktanalog des logischen Elements ist in Abbildung 4b dargestellt, und wenn man genau hinschaut, ist es dem Analogon des Wechselrichters in Abbildung 3b sehr ähnlich: Die Glühbirne wird auch über die normalerweise geschlossenen Kontakte des Relais K1 eingeschaltet . Eigentlich handelt es sich hierbei um einen Wechselrichter. Die Steuerung des Relais erfolgt über die Tasten SB1 und SB2, die den Eingängen X1 und X2 des NAND-Gatters entsprechen. Das Diagramm zeigt, dass das Relais nur dann eingeschaltet wird, wenn beide Tasten gedrückt werden: In diesem Fall führen die Tasten die &-Funktion (logisches UND) aus. In diesem Fall erlischt die Ausgangslampe, was einem logischen Nullzustand entspricht.

Wenn beide Tasten oder mindestens eine davon nicht gedrückt werden, ist das Relais ausgeschaltet und das Licht am Ausgang der Schaltung leuchtet, was dem logischen Eins-Pegel entspricht.

Aus all dem Gesagten lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Erstens: Wenn mindestens ein Eingang eine logische Null hat, ist der Ausgang eine logische Eins. Der gleiche Zustand am Ausgang liegt dann vor, wenn an beiden Eingängen gleichzeitig Nullen anliegen. Dies ist eine sehr wertvolle Eigenschaft von NAND-Elementen: Wenn Sie beide Eingänge verbinden, wird das NAND-Element zum Inverter – es führt einfach die NICHT-Funktion aus. Mit dieser Eigenschaft können Sie die Installation einer speziellen Mikroschaltung mit sechs Wechselrichtern gleichzeitig vermeiden, wenn nur einer oder zwei erforderlich sind.

Zweitens kann eine Null am Ausgang nur erhalten werden, wenn man an allen Eingängen Einsen „sammelt“. In diesem Fall wäre es angebracht, das betreffende logische Element 2AND-NOT zu nennen. Eine Zwei gibt an, dass dieses Element zwei Eingänge hat. In fast allen Mikroschaltungsserien gibt es auch Elemente mit 3, 4 und acht Eingängen. Außerdem hat jeder von ihnen nur einen Ausgang. Das Grundelement in vielen Serien digitaler Mikroschaltungen wird jedoch als 2I-NOT-Element angesehen.

Mit verschiedenen Anschlussmöglichkeiten der Eingänge erhalten Sie eine weitere wunderbare Immobilie. Wenn wir beispielsweise drei Eingänge eines 8I-NOT-Elements mit acht Eingängen verbinden, erhalten wir ein 6I-NOT-Element. Und wenn Sie alle 8 Eingänge miteinander verbinden, erhalten Sie, wie oben erwähnt, nur einen Wechselrichter.

Damit ist unsere Einführung in logische Elemente abgeschlossen. Der nächste Teil des Artikels befasst sich mit einfachen Experimenten mit Mikroschaltungen, der inneren Struktur von Mikroschaltungen und einfachen Geräten wie Impulsgeneratoren.

Boris Aladyschkin

Absolut alle digitalen Mikroschaltungen bestehen aus den gleichen logischen Elementen – den „Bausteinen“ jedes digitalen Knotens. Darüber werden wir jetzt reden.

Logikelement- Dies ist eine Schaltung, die mehrere Eingänge und einen Ausgang hat. Jeder Zustand der Signale an den Eingängen entspricht einem bestimmten Signal am Ausgang.

Was sind also die Elemente?

Element „UND“

Ansonsten heißt es „Konjunktor“.

Um zu verstehen, wie es funktioniert, müssen Sie eine Tabelle zeichnen, die die Ausgangszustände für jede beliebige Kombination von Eingangssignalen auflistet. Diese Tabelle heißt „ Wahrheitstabelle" Wahrheitstabellen werden in der Digitaltechnik häufig verwendet, um die Funktionsweise von Logikschaltungen zu beschreiben.

So sehen das „AND“-Element und seine Wahrheitstabelle aus:

Da Sie sowohl mit russischen als auch mit bürgerlichen Technikern kommunizieren müssen. Zur Dokumentation stelle ich symbolische grafische Symbole (GID) von Elementen bereit, die sowohl unseren als auch nicht unseren Standards entsprechen.

Wir schauen uns die Wahrheitstabelle an und klären das Prinzip in unserem Gehirn. Es ist nicht schwer zu verstehen: Eine Einheit am Ausgang des „AND“-Elements entsteht nur, wenn an beiden Eingängen Einheiten anliegen. Dies erklärt den Namen des Elements: Einheiten müssen sich SOWOHL am einen als auch am anderen Eingang befinden.

Wenn wir es etwas anders betrachten, können wir Folgendes sagen: Der Ausgang des „AND“-Elements ist Null, wenn auf mindestens einen seiner Eingänge Null angewendet wird. Lass uns erinnern. Fortfahren.

ODER-Element

Auf andere Weise wird er als „Disjunktor“ bezeichnet.

Wir bewundern:

Auch hier spricht der Name für sich.

Eine Einheit erscheint am Ausgang, wenn eine Einheit auf einen ODER auf den anderen ODER auf beide Eingänge gleichzeitig angewendet wird. Dieses Element kann auch als „AND“-Element für negative Logik bezeichnet werden: Eine Null an seinem Ausgang entsteht nur, wenn sowohl an einem als auch am zweiten Eingang Nullen zugeführt werden.

HINWEIS-Element

Häufiger wird es als „Wechselrichter“ bezeichnet.

Muss ich etwas zu seiner Arbeit sagen?

NAND-Element

Das NAND-Gatter funktioniert genauso wie das UND-Gatter, nur ist das Ausgangssignal völlig entgegengesetzt. Wo das „AND“-Element eine „0“-Ausgabe haben sollte, sollte das „AND-NOT“-Element eine Eins haben. Umgekehrt. Dies ist anhand des Ersatzschaltbildes des Elements leicht zu verstehen:

Element „NOR“ (NOR)

Die gleiche Geschichte – ein „ODER“-Element mit einem Inverter am Ausgang.

Der nächste Kamerad ist etwas schlauer:
Exklusives ODER-Element (XOR)

Er ist so:

Die von ihm ausgeführte Operation wird oft als „Addition Modulo 2“ bezeichnet. Tatsächlich basieren digitale Addierer auf diesen Elementen.

Schauen wir uns die Wahrheitstabelle an. Wann ist die Ausgabeeinheit? Richtig: wenn die Eingänge unterschiedliche Signale haben. Auf dem einen - 1, auf dem anderen - 0. So schlau ist er.

Die Ersatzschaltung sieht etwa so aus:

Es ist nicht notwendig, es auswendig zu lernen.

Tatsächlich sind dies die wichtigsten logischen Elemente. Auf ihrer Basis sind absolut alle digitalen Mikroschaltungen aufgebaut. Sogar Ihr Lieblings-Pentium 4.

Und schließlich mehrere Mikroschaltungen mit digitalen Elementen. Die Nummern der entsprechenden Zweige der Mikroschaltung sind in der Nähe der Anschlüsse der Elemente angegeben. Alle hier aufgeführten Chips haben 14 Beine. Die Stromversorgung erfolgt über die Beine 7 (-) und 14 (+). Versorgungsspannung – siehe Tabelle im vorherigen Absatz.

Logische Elemente bilden die Grundlage digitaler (diskreter) Informationsverarbeitungsgeräte und digitaler Automatisierungsgeräte.

Logikelemente führen die einfachsten logischen Operationen an digitalen Informationen durch. Eine logische Operation wandelt Eingabeinformationen nach bestimmten Regeln in Ausgabeinformationen um. Logikelemente werden meist auf der Basis elektronischer Geräte aufgebaut, die im Tastenmodus arbeiten. Daher werden digitale Informationen normalerweise in binärer Form dargestellt, in der Signale nur zwei Werte annehmen: „0“ (logische Null) und „1“ (logische Eins), entsprechend den beiden Zuständen des Schlüssels. Eine logische Null entspricht einem niedrigen Spannungspegel am Ein- oder Ausgang eines Elements (z. B. U 0 =0...0,4 V), und eine logische Eins entspricht einem hohen Spannungspegel (z. B. U 1 = 3). ...5V).

Die wichtigsten logischen Elemente sind OR-, AND-, NOT-, OR-NOT- und AND-NOT-Elemente. Basierend auf diesen Grundelementen werden komplexere Elemente aufgebaut: Flip-Flops, Zähler, Register, Addierer.

Das logische ODER-Element (Abb. 4.1, a) hat einen Ausgang und mehrere Eingänge (meistens 2 - 4 Eingänge) und implementiert die Funktion der logischen Addition oder Disjunktion. Bei zwei unabhängigen Variablen wird sie mit Y = X 1 ÚX 2 oder Y = X 1 + Die OR-Operation kann für drei oder mehr unabhängige Argumente ausgeführt werden. Funktion Y = 1, wenn mindestens eine der unabhängigen Variablen Xi gleich eins ist.

Das logische Element UND (Abb. 4.1, b) implementiert die Funktion der logischen Multiplikation oder Konjunktion. Sie wird mit Y = X 1 ÙX 2 oder Y = X 1 X 2 (lesen Sie X 1 und Die logische Multiplikationsoperation kann auf drei oder mehr unabhängige Argumente erweitert werden. Die Funktion Y ist nur dann gleich eins, wenn alle unabhängigen Variablen Xi gleich eins sind.

Das Logikgatter implementiert NICHT die logische Negations- oder Inversionsoperation. Die logische Negation der Funktion X wird mit „X“ bezeichnet (man sagt „nicht X“) und wird durch die Wahrheitstabelle (Tabelle 4.3) bestimmt.

Das logische Element OR-NOT implementiert die logische Funktion Y = und wird durch die Wahrheitstabelle bestimmt (Tabelle 4.4.).

Das logische Element AND-NOT implementiert die logische Funktion Y = und wird durch die Wahrheitstabelle bestimmt (Tabelle 4.5.).

Abbildung 4.1 – Symbolische grafische Darstellung logischer Elemente OR (a), AND (b), NOT (c), OR-NOT (d), AND-NOT (d)

Tabelle 4.1–Wahrheitstabelle Tabelle 4.2–Wahrheitstabelle des OR-Elements des AND-Elements

Tabelle 4.3–Wahrheitstabelle Tabelle 4.4–Wahrheitstabelle

Element NICHT Element ODER - NICHT

Es werden auch Elemente verwendet, die die logischen Operationen BAN und Exklusiv-ODER implementieren.

Das logische Element BAN hat normalerweise zwei Eingänge (Abb. 4.2, a): X 1 zulassen und X 2 verbieten. Das Ausgangssignal wiederholt das Signal am Freigabeeingang X 1, wenn X 2 =0. Bei X 2 =1 erscheint am Ausgang ein 0-Signal, unabhängig vom Wert von X 1. Das heißt, dieses Element implementiert die logische Funktion Y = X 1. Das logische Element „exklusives ODER“ (Unäquivalenz) (Abb. 4.2, b) implementiert eine logische Funktion und wird durch die Wahrheitstabelle (Tabelle 4.6) bestimmt.

Abbildung 4.2 – Symbolische grafische Darstellung der logischen Elemente BAN (a), Exklusiv-ODER (b)

Tabelle 4.6 – Wahrheitstabelle des „exklusiven ODER“-Elements

Digitale integrierte Schaltkreise liefern Ausgangssignale mit sehr geringer Leistung. Beispielsweise liefern Mikroschaltungen der Serien K155, K555, KR1533 einen Ausgangsstrom von 0,4 mA im logischen Eins-Zustand. Daher werden an den Ausgängen eines Logikblocks üblicherweise Open-Collector-Mikroschaltungen verwendet. In solchen Mikroschaltungen wird der im Kollektorkreis enthaltene Widerstand außerhalb der Mikroschaltung bewegt (Abb. 4.3, A).

Abbildung 4.3 – Anschließen einer Last an den Ausgang einer Mikroschaltung mit offenem Kollektor

Befindet sich der Ausgang der Mikroschaltung DD1 im Zustand logisch Eins (U OUT = 1), d (U OUT = 0), das heißt, sein Ausgangstransistor befindet sich im Sättigungszustand I K » U P / R K. Der maximal zulässige Ausgangsstrom von Open-Collector-Mikroschaltungen kann deutlich größer sein als der von herkömmlichen Mikroschaltungen.

Beispielsweise kann bei Mikroschaltungen mit offenem Kollektor K155LL2, K155LI5, K155LA18 der maximale Eingangsstrom am Ausgang 300 mA erreichen und die maximale Ausgangsspannung im Zustand „Log.1“ kann 30 V betragen, wodurch Sie eine Last schalten können bis zu 9 W.

Wenn die Last, zum Beispiel die Spule eines Relais oder Pneumatikverteilers, für Spannung und Strom ausgelegt ist, die die für einen bestimmten Mikroschaltkreis zulässigen Werte nicht überschreiten, kann sie direkt an den Ausgang des Mikroschaltkreises angeschlossen werden (Abb. 4.3, B). In diesem Fall wird das Relais K1 aktiviert, wenn am Ausgang von DD2 „Log.0“ anliegt, und schaltet ab, wenn am Ausgang von DD2 „Log.1“ anliegt. Die in umgekehrter Richtung geschaltete Diode VD1 schützt den Mikroschaltkreis vor Überspannung, die beim Ausschalten der Relaisspule aufgrund der darin angesammelten elektromagnetischen Energie auftritt.

Um eine Last mit hoher Betriebsspannung und hohem Betriebsstrom zu steuern, können Sie eine Schaltung verwenden, bei der der Leistungskreis durch einen zusätzlichen Transistor VT1 geschaltet wird, der mit einem offenen Kollektor DD1 an den Ausgang der Mikroschaltung angeschlossen ist und im Schlüsselmodus arbeitet (Abb. 4.4).

Abbildung 4.4 – Anschließen der Last über einen Transistorschalter

Bei „Log.0“ am Ausgang von DD1 ist der Transistor VT1 geschlossen und das Relais K1 ausgeschaltet. Bei „Log.1“ am Ausgang von DD1 öffnet der Transistor (geht in den Sättigungszustand). Der Strom durch den Transistor im Sättigungsmodus wird durch die Versorgungsspannung U 1 und den Widerstand der Relaisspule R K1 bestimmt, da der Spannungsabfall am Transistor im Sättigungsmodus U KN » 0:

Die Versorgungsspannung U 1 muss gleich der Betriebsspannung der Last (hier Relais K1) gewählt werden und der Transistor VT1 muss mit einer zulässigen Kollektorspannung größer U 1 und einem zulässigen Kollektorstrom größer I K1 gewählt werden .

Der Transistor-Sättigungsmodus wird erreicht, wenn

Für eine zuverlässige Sättigung des Transistors ist es erforderlich, dass die Bedingung beim Mindestwert der statischen Stromverstärkung h 21E = h 21E min für einen bestimmten Transistortyp erfüllt ist.

In diesem Fall muss die Bedingung erfüllt sein

U P /R 1 ³I BN g = gI KN / h 21Emin

wobei g der Sättigungsgrad ist (g = 1,2…2).

Die Diode VD1 schützt den Transistor vor Schaltüberspannungen. Die Diode VD2 liefert die erforderliche Vorspannung, um den Transistor bei „Log.0“ am Ausgang von DD1 auszuschalten. Die Vorspannung wird über den Widerstand R2 an die Basis angelegt.

Wenn die Last eine erhebliche Induktivität aufweist, wird sie durch eine in die entgegengesetzte Richtung geschaltete Diode überbrückt (siehe Abb. 4.3, b, Abb. 4.4).

Open-Collector-Logikchips werden auch zur Steuerung technologischer Geräte (z. B. Schweißen) verwendet. Steuergeräte für moderne Schweißgeräte (z. B. Steuergeräte für halbautomatische Schweißgeräte der BUSP-Serie, Steuergeräte für den Widerstandsschweißzyklus der RKS-Serie) ermöglichen die Schaltsteuerung direkt über einen Open-Collector-Mikroschaltkreis, der an einen bestimmten Eingang von angeschlossen ist der Steuereinheit (Abb. 4.5).

Abbildung 4.5 – Steuerschaltung für Prozessgeräte unter Verwendung eines Open-Collector-Logikchips