Типовая схема интегрального элемента эмиттерно-связанной логики приведена на рис. 2.15.

рис. 2.15.

Транзисторы VT 0 , VT 1 , VT 2 , VT 3 работают в схеме переключателя тока, транзисторы VT 4 , VT 5 - в выходных эмиттерных повторителях. На схеме показаны значения потенциалов в различных точках при подаче на вход напряжения уровня лог.1; в скобки заключены значения потенциалов тех же точек для случая, когда на все входы элемента подано напряжения уровня лог.0. Значения этих потенциалов соответствуют следующим уровням:

· напряжение источника питания E к = 5 В;

· уровень лог.1 U 1 = 4,3 В;

· уровень лог.1 U 0 = 3,5 В;

· напряжение между базой и эмиттером открытого транзистора U бэ = 0,7 В.

Рассмторим принцип работы интегрального логического элемента ЭСЛ (см. рис. 2.15).

Пусть на Вх 1 подается напряжение U 1 = 4,3 В. Транзистор VT 1 открыт; эмиттерный ток этого транзистора создает на резисторе R падение напряжения U а = U 1 -U бэ = 4,3 - 0,7 = 3,6 В; коллекторный ток создает на резисторе R к1 напряжение U Rк1 = 0,8 В; напряжение на коллекторе транзистора U б = E к - U Rк1 = 5 - 0,8 = 4,2 В.

Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT 0 U бэ VT0 = U - U а = 3,9 - 3,6 = 0,3 В; это напряжение недостаточно для открывания транзистора VT 0 . Таким образом, открытое состояние любого из транзисторов VT 1 , VT 2 , VT 3 приводит к закрытому состоянию транзистора VT 0 . Ток через резистор R к2 весьма мал (течет лишь базовый ток транзистора VT 5) и напряжение на коллекторе VT 0 .

Рассмотрим другое состояние логического элемента. Пусть на всех входах действует напряжение лог.0 U 0 = 3,5 В. При этом оказывается открытым транзистор VT 0 (из всех транзисторов, эмиттеры которых объеденины, открывается тот, на базе которого более высокое напряжение); U а = U - U бэ = 3,9 - 0,7 = 3,2 В; напряжение между базой и эмиттером транзисторов VT 1 , VT 2 , VT 3 равно U бэ VT1...VT0 = U 0 - U а = 3,5 - 0,7 = 0,3 В и эти транзисторы закрыты; U б = 5 В; U в = 4,2 В.

Напряжения от точек б и в передаются на выходы элемента через эмиттерные повоторители; при этом уровень напряжения снижается на значение U бэ = 0,7 В. Обратим внимание на то важное обстоятельство, что напряжения на выходах равны U 1 (4,3 В), либо U 0 (3,5 В).

Выясним, какая логическая функция формируется на выходах элемента.

В точке в и на Вых 2 образуется напряжение низкого уровня при открытом транзисторе VT 0 , т.е. в случае, когда х 1 = 0, х 2 = 0, х 3 = 0. При любой другой комбинации значений входных переменных транзистр VT 0 закрыт и на Вых 2 образуется напряжение высокого уровня. Из этого следует, что на Вых 2 формируется дизъюнкция переменных х 1 Vх 1 Vх 1 . На Вых 1 формируется функция ИЛИ-НЕ .

Следовательно, логический элемент выполняет операции ИЛИ-НЕ и ИЛИ.

В мткросхемах ЭСЛ точку г делают общей, а точку д подключают к источнику питания с напряжением -5В. В этом случае потенциалы всех точек схемы снижаются до 5 В.

Расмотренный логический элемент относится к классу наиболее быстродействующих элементов (малое время задержки распространения сигнала) обеспечивается следующими факторами: открытые транзисторы находятся в активном режиме (не в режиме насыщения); применение на выходах эмиттерных повторителей обеспечивает ускорение процесса перезаряда емкостей, подключенных к выходам; транзисторы включены по схеме включения с общей базой, что улучшает частотные свойства транзисторов и ускоряет процесс их переключения; выбран малым перепад логических уровней U 1 -U 0 = 0,8 В (однако это приводит к сравнительно низкой помехоустойчивости элемента).

Логические элементы на МДП-транзисторах

рис. 2.16

На рис. 2.16 показана схема логического элемента с индуцированным каналом типа n (так называемая n МДП - технология). Основные транзисторы VT 1 и VT 2 включены последовательно, транзистор VT 3 выполняет роль нагрузки. В случае, когда на обоих входах элемента действует высокое напряжение U 1 (х 1 =1, х 2 =1), оба транзистора VT 1 и VT 2 оказываются открытыми и на выходе устанавливается низкое напряжение U 0 . Во всех остальных случаях хотя бы один из транзисторов VT 1 или VT 2 закрыт и на выходе устанавливается напряжение U 1 . Таким образом, элемент выполняет логическую функцию И-НЕ.

рис. 2.17

На рис. 2.17 приведена схема элемента ИЛИ-НЕ. На его выходе устанавливается низкое напряжение U 0 , если хотя бы на одном из входов действует высокое напряжение U 1 , открывающее один из основных транзисторов VT 1 и VT 2 .

рис. 2.18

Приведенная на рис. 2.18 схема представляет собой схему элемента ИЛИ-НЕ КМДП-технологии. В ней транзисторы VT 1 и VT 2 - основные, транзисторы VT 3 и VT 4 - нагрузочные. Пусть высокое напряжение U 1 . При этом транзистор VT 2 открыт, транзистор VT 4 закрыт и независимо от уровня напряжения на другом входе и состояния остальных транзисторов на выходе устанавливается низкое напряжение U 0 . Элемент реализует логическую операцию ИЛИ-НЕ.

КМПД-схема характеризуется весьма малым потребляемым током (а следовательно, и мощности) от источников питания.

Логические элементы интегральной инжекционной логики

рис. 2.19

На рис. 2.19 показана топология логического элемента интегральной инжекционной логики (И 2 Л). Для создания такой структуры требуются две фазы диффузии в кремнии с проводимостью n-типа: в процессе первой фазы образуются области p 1 и p 2 , второй фазы - области n 2 .

Элемент имеет структуру p 1 -n 1 -p 2 -n 1 . Такую четырехслойную структуру удобно рассматривать, представив ее соединением двух обычных трехслойных транзисторных структур:

p 1 - n 1 - p 2 n 1 - p 2 - n 1

Соответствующая такому представлению схема показана на рис.2.20,а. Рассмотрим работу элемента по это схеме.

рис. 2.20

Транзистор VT 2 со структурой типа n 1 -p 2 -n 1 выполняет функции инвертора, имеющего несколько выходов (каждый коллектор образует отдельный выход элемента по схеме с открытым коллектором).

Транзистор VT 2 , называемый инжектором , имеет структуру типа p 1 -n 1 -p 2 . Так как область n 1 у этих транзисторов общая, эмиттер транзистора VT 2 должен быть соединен с базой транзистора VT 1 ; наличие общей области p 2 приводит к необходимости соединения базы транзистора VT 2 с коллектором транзистора VT 1 . Так образуется соединение транзисторов VT 1 и VT 2 , показанное на рис.2.20,а.

Так как на эмиттере транзистора VT 1 действует положительный потенциал, а база находится под нулевым потенциалом, эмиттерный переход оказывается смещенным в прямом направлении и транзистор открыт.

Коллекторный ток этого транзистора может замкнуться либо через транзистор VT 3 (инвертор предыдущего элемента), либо через эмиттерный переход транзистора VT 2 .

Если предыдущий логический элемент находится в открытом состоянии (открыт транзистор VT 3), то на входе данного элемента низкий уровень напряжения, который действуя на базе VT 2 , удерживает этот транзистор в закрытом состоянии. Ток инжектора VT 1 замыкается через транзистор VT 3. При закрытом состоянии предыдущего логического элемента (закрыт транзисторVT 3) коллекторный ток инжектора VT 1 втекает в базу транзистора VT 2 , и этот транзистор устанавливается в открытое состояние.

Таким образом, при закрытом VT 3 транзистор VT 2 открыт и, наоборот, при открытом VT 3 транзистор VT 2 закрыт. Открытое состояние элемента соответствует состоянию лог.0, закрытое - сотсоянию лог.1.

Инжектор явялется источником постоянного тока (который может быть общим для группы элементов). Часто пользуются условным графическим обозначением элемента, представленным на рис. 2.21,б.

На рис. 2.21,а показана схема, реализующая операцию ИЛИ-НЕ. Соединение коллекторов элементов соответствует выполнению операции так называемого монтажного И . Действительно, достаточно, чтобы хотя бы один из элементов находился в открытом состоянии (состоянии лог.0), тогда ток инжектора следующего элемента будет замыкаться через открытый инвертор и на на объединенном выходе элементов установится низкий уровень лог.0. Следовательно, на этом выходе формируется величина, соответствующая логическому выражению х 1 ·х 2 . Применение к нему преобразования де Моргана приводит к выражению х 1 ·х 2 = . Следовательно, данное соединение элементов действительно реализует операцию ИЛИ-НЕ.

рис. 2.21

Логические элементы И 2 Л имеют следующие достоинства:

· обеспечивают высокую степень интеграции; при изготовлении схем И 2 Л используются те же технологические процессы, что и при производстве интегральных схем на биполярных транзисторах, но оказывается меньшим число технологических операций и необходимых фотошаблонов;

· используется пониженное напряжение (около 1В);

· обеспечивают возможность обмена в широких пределах мощности на быстродействие (можно изменять на несколько порядков потребляемую мощность, что соответственно приведет к изменению быстродействия);

· хорошо согласуются с элементами ТТЛ.

На рис. 2.21,б показана схема перехода от элементов И 2 Л к элементу ТТЛ.

Логические элементы, работают как самостоятельные элементы в виде микросхем малой степени интеграции, так и входят в виде компонентов в микросхемы более высокой степени интеграции. Таких элементов можно насчитать не один десяток.

Но сначала расскажем только о четырех из них - это элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ. Основными элементами являются первые три, а элемент И-НЕ это уже комбинация элементов И и НЕ. Эти элементы можно назвать «кирпичиками» цифровой техники. Для начала следует рассмотреть, какова же логика их действия?

Вспомним первую часть статьи о цифровых микросхемах. Там было сказано, что напряжение на входе (выходе) микросхем в пределах 0…0,4В это уровень логического нуля, или напряжение низкого уровня. Если же напряжение в пределах 2,4…5,0В, то это уровень логической единицы или напряжение высокого уровня.

Рабочее состояние микросхем серии К155 и других микросхем с напряжением питания 5В характеризуется именно такими уровнями. Если на выходе микросхемы напряжение находится в диапазоне 0,4…2,4В (например 1,5 или 2,0В), то можно уже задуматься о замене данной микросхемы.

Практический совет: чтобы убедиться, что неисправна по выходу именно эта микросхема, следует отсоединить от нее вход следующей за ней микросхемы (или несколько входов, подключенных к выходу данной микросхемы). Эти входы могут просто «подсаживать» (перегружать) микросхему по выходу.

Условные графические обозначения

Условные графические обозначения представляют собой прямоугольник, содержащий входные и выходные линии. Входные линии элементов располагаются слева, а выходные справа. То же касается и целых листов со схемами: с левой стороны все сигналы входные, с правой выходы. Это как в книжке строка, - слева направо, так будет проще запомнить. Внутри прямоугольника находится условный символ, обозначающий функцию, выполняемую элементом.

Рассмотрение логических элементов начнем с элемента И.

Рисунок 1. Логический элемент И

Его графическое обозначение показано на рисунке 1а. Условным обозначением функции И служит английский символ «&», который в английском языке заменяет союз «и», ведь все-таки, вся эта «лженаука» изобреталась в проклятом буржуинстве.

Входы элемента обозначены как X с индексами 1 и 2, а выход, как выходная функция, буквой Y. Просто, как в школьной математике, например, Y = K*X или, в общем случае, Y = f(x) . Входов у элемента может быть и больше, чем два, что ограничивается только сложностью решаемой задачи, но, выход может быть только один.

Логика работы элемента следующая: напряжение высокого уровня на выходе Y будет лишь тогда, когда И-на входе X1 И-на входе X2 будет напряжение высокого уровня. Если входов у элемента будет 4 или 8, то указанное условие (наличие высокого уровня), должно выполняться на всех входах: И-на входе 1, И-на входе 2, И-на входе3 …..И-на входе N. Лишь в этом случае на выходе будет также высокий уровень.

Для того, чтобы было проще разобраться в логике работы элемента И, на рисунке 1б представлен его аналог в виде контактной схемы. Здесь выход элемента Y представлен лампой HL1. Если лампа светится, то это соответствует высокому уровню на выходе элемента И. Часто такие элементы называют 2-И, 3-И, 4-И, 8-И. Первая цифра указывает на количество входов.

В качестве входных сигналов X1 и X2 используются обычные «звонковые» кнопки без фиксации. Разомкнутое состояние кнопок это состояние низкого уровня, а замкнутое, естественно, высокого. В качестве источника питания на схеме показана гальваническая батарея. Пока кнопки находятся в незамкнутом состоянии, лампа, конечно, не светит. Лампа включится лишь только тогда, когда будут нажаты сразу обе кнопки, т.е. И-SB1, И-SB2. Такова логическая связь между входными и выходным сигналом элемента И.

Наглядное представление о работе элемента И можно получить глядя на временную диаграмму, показанную на рисунке 1в. Сначала сигнал высокого уровня появляется на входе X1, но на выходе Y ничего не произошло, там по-прежнему сигнал низкого уровня. На входе X2 сигнал появляется с некоторой задержкой относительно первого входа, и на выходе Y появляется сигнал высокого уровня.

Когда на входе X1 сигнал принимает низкий уровень, на выходе также устанавливается сигнал низкого уровня. Или, если сказать по-другому, сигнал высокого уровня на выходе удерживается до тех пор, пока на обоих входах присутствуют сигналы высокого уровня. То же самое можно сказать и о более многовходовых элементах И: если это будет 8-И, то чтобы на выходе получить высокий уровень, высокий же уровень должен удерживаться сразу на всех восьми входах.

Чаще всего в справочной литературе состояние выхода логических элементов в зависимости от входных сигналов приводится в виде таблиц истинности. Для рассматриваемого элемента 2-И таблица истинности приведена на рисунке 1г.

Таблица несколько похожа на таблицу умножения, только поменьше. Если внимательно ее изучить, можно заметить, что высокий уровень на выходе будет только тогда, когда на обоих входах присутствует напряжение высокого уровня или, что то-же самое, логической единицы. Кстати, сравнение таблицы истинности с таблицей умножения далеко не случайно: все таблицы истинности электронщики знают, как говорится, назубок.

Также функцию И можно описать при помощи . Для двухвходового элемента формула будет выглядеть следующим образом: Y = X1*X2 или другая форма записи Y = X1^X2 .

Следующим мы рассмотрим логический элемент ИЛИ.

Рисунок 2. Логический элемент ИЛИ

Его графическое обозначение похоже на только что рассмотренный элемент И, за исключением того, что вместо знака &, обозначающего функцию И, внутри прямоугольника вписана цифра 1, как показано на рисунке 2а. В данном случае она обозначает функцию ИЛИ. Слева расположены входы X1 и X2, которых, как и в случае функции И может быть и больше, а справа выход, обозначенный буквой Y.

В виде формулы булевой алгебры функция ИЛИ записывается так Y = X1 + X2.

Согласно этой формуле Y будет истинным тогда, когда ИЛИ на входе X1, ИЛИ на входе X2, ИЛИ на обоих входах сразу будет высокий уровень.

Понять только что сказанное поможет контактная схема, представленная на рисунке 2б: нажатие на любую из кнопок (высокий уровень) или на обе кнопки сразу, приведет к свечению лампочки (высокий уровень). В данном случае кнопки это входные сигналы X1 и X2, а лампочка выходной сигнал Y. Чтобы сказанное было проще запомнить, на рисунках 2в и 2г приведены временная диаграмма и таблица истинности соответственно: достаточно проанализировать работу показанной контактной схемы с диаграммой и таблицей, как все вопросы исчезнут.

Логический элемент НЕ, инвертор

Как говорил один преподаватель, - в цифровой технике нет ничего сложнее инвертора. Пожалуй, так и есть на самом деле.

В алгебре логики операция НЕ называется инверсией, что в переводе с английского означает отрицание, то есть уровень сигнала на выходе с точностью до наоборот соответствует входному сигналу, что в виде формулы выглядит как Y = /X

(Косая черта перед X обозначает собственно инверсию. Обычно вместо косой используется подчеркивание сверху, хотя вполне допустимо и такое обозначение.).

Условное графическое обозначение элемента НЕ представляет собой квадрат или прямоугольник, внутри которого вписана цифра 1.

Рисунок 3. Инвертор

В данном случае она обозначает, что этот элемент - инвертор. Он имеет всего один вход X и выход Y. Линия выхода начинается маленьким кружком, собственно который и говорит о том, что этот элемент инвертор.

Как только что было сказано - инвертор самая сложная схема цифровой техники. И это подтверждает его контактная схема: если до этого было достаточно лишь только кнопок, то теперь к ним добавилось реле. Пока кнопка SB1 не нажата (логический ноль на входе) реле K1 обесточено и его нормально-замкнутые контакты включают лампочку HL1, что соответствует логической единице на выходе.

Если же нажать кнопку (подать на вход логическую единицу), то реле включится, контакты K1.1 разомкнутся, лампочка погаснет, что соответствует логическому нулю на выходе. Сказанное подтверждают временная диаграмма на рисунке 3в и таблица истинности на рисунке 3г.

Логический элемент И-НЕ есть не что иное, как сочетание логического элемента И с элементом НЕ.

Рисунок 4. Логический элемент И-НЕ

Поэтому на его условном графическом обозначении присутствует знак & (логическое И), а линия выхода начинается с кружочка, указывающего на наличие в составе элемента инвертора.

Контактный аналог логического элемента показан на рисунке 4б, и, если присмотреться, очень похож на аналог инвертора показанного на рисунке 3б: лампочка включена также через нормально-замкнутые контакты реле К1. Собственно это и есть инвертор. Реле управляется кнопками SB1 и SB2, которые соответствуют входам X1 и X2 логического элемента И-НЕ. На схеме видно, что реле будет включено только тогда, когда будут нажаты обе кнопки: в данном случае кнопки выполняют функцию & (логическое И). При этом лампа на выходе погаснет, что соответствует состоянию логического нуля.

Если же не нажаты обе кнопки, или хотя бы одна из них, то реле отключено, и лампочка на выходе схемы горит, что соответствует уровню логической единицы.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

Во-первых, если хотя бы на одном входе присутствует логический нуль, то на выходе будет логическая единица. То же состояние на выходе будет и в случае, когда нули присутствуют сразу на обоих входах. Это весьма ценное свойство элементов И-НЕ: если соединить оба входа, то элемент И-НЕ становится инвертором, - просто выполняет функцию НЕ. Такое свойство позволяет не ставить специальную микросхему, содержащую сразу шесть инверторов, когда требуется всего один или два.

Во-вторых, нуль на выходе можно получить только в том случае, если «собрать» на всех входах единички. В данном случае уместно было бы назвать рассматриваемый логический элемент 2И-НЕ. Двойка говорит о том, что этот элемент двухвхододый. Практически во всех сериях микросхем существуют также 3-х, 4-х и восьмивходовые элементы. При этом каждый из них имеет только один выход. Однако, базовым элементом во многих сериях цифровых микросхем считается элемент 2И-НЕ.

При различных вариантах соединения входов можно получить еще одно чудесное свойство. Например, соединив между собой три входа восьмивходового элемента 8И-НЕ получим элемент 6И-НЕ. А если соединить вместе все 8 входов, получится просто инвертор, о чем было сказано чуть выше.

На этом знакомство с логическими элементами закончим. В следующей части статьи будут рассмотрены простейшие опыты с микросхемами, внутреннее устройство микросхем, простые устройства, например генераторы импульсов.

Борис Аладышкин

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.

Логические элементы составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации и цифровых устройств автоматики.

Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией. Логическая операция преобразует по определенным правилам входную информацию в выходную. Логические элементы чаще всего строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица) соответствующие двум состояниям ключа. Логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения на входе или выходе элемента (например U 0 =0…0,4В), а логической единице соответствует высокий уровень напряжения (например U 1 =3…5В).

Основными логическими элементами являются элементы ИЛИ, И, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ. На основе этих основных элементов строятся более сложные: триггеры, счётчики, регистры, сумматоры.

Логический элемент ИЛИ (рис. 4.1, а) имеет один выход и несколько входов (чаще всего 2 - 4 входа) и реализует функцию логического сложения или дизъюнкции. Обозначается в случае двух независимых переменных У = Х 1 ÚХ 2 либо У = Х 1 + Х 2 (читается Х 1 или Х 2) и определяется таблицей истинности (табл. 4.1.). Операцию ИЛИ можно выполнять для трех и более независимых аргументов. Функция У = 1, если хотя бы одна из независимых переменных Хi равна единице.

Логический элемент И (рис. 4.1, б) реализует функцию логического умножения или конъюнкции. Обозначается У = Х 1 ÙХ 2 либо У = Х 1 Х 2 (читается Х 1 и Х 2) и определяется таблицей истинности (табл. 4.2). Операцию логического умножения можно распространить на три и более независимых аргументов. Функция У равна единице только тогда, когда все независимые переменные Хi равны единице.

Логический элемент НЕ реализует операцию логического отрицания или инверсии. Логическое отрицание от функции Х обозначается `Х (говорится «не Х») и определяется таблицей истинности (табл. 4.3).

Логический элемент ИЛИ-НЕ реализует логическую функцию У =и определяется таблицей истинности (табл. 4.4.).

Логический элемент И-НЕ реализует логическую функцию У =и определяется таблицей истинности (табл. 4.5.).

Рисунок 4.1 – Условно-графические изображения логических элементов ИЛИ (а), И (б), НЕ (в), ИЛИ-НЕ (г), И-НЕ (д)

Таблица 4.1–Таблица истинности Таблица 4.2–Таблица истинности элемента ИЛИ элемента И

Таблица 4.3–Таблица истинности Таблица 4.4–Таблица истинности

элемента НЕ элемента ИЛИ - НЕ

Находят применение также элементы реализующие логические операции ЗАПРЕТ и исключающее ИЛИ.

Логический элемент ЗАПРЕТ обычно имеет два входа (рис. 4.2, а): разрешающий Х 1 и запрещающий Х 2 . Выходной сигнал повторяет сигнал на разрешающем входе Х 1 , если Х 2 =0. При Х 2 =1 на выходе возникает согнал 0 независимо от значения Х 1 . То есть данный элемент реализует логическую функцию У = Х 1 . Логический элемент «исключающее ИЛИ» (неравнозначность) (рис. 4.2, б) реализует логическую функцию и определяется таблицей истинности (табл. 4.6).

Рисунок 4.2 – Условно-графические изображения логических элементов ЗАПРЕТ (а), исключающее ИЛИ (б)

Таблица 4.6 - Таблица истинности элемента «исключающее ИЛИ»

Цифровые интегральные микросхемы обеспечивают получение выходных сигналов очень малой мощности. Например, микросхемы серий К155, К555, КР1533 обеспечивают в состоянии логической единицы выходной ток = 0,4 мА. Поэтому на выходах логического блока обычно используют микросхемы с открытым коллектором. В таких микросхемах резистор, включенный в цепи коллектора, выносится за пределы микросхемы (рис. 4.3, а ).

Рисунок 4.3 – Подключение нагрузки к выходу микросхемы с открытым коллектором

Если выход микросхемы ДД1 находится в состоянии логической единицы (U ВЫХ = 1), то есть ее выходной транзистор находится в состоянии отсечки, то I К » 0. При «Лог.0» на выходе ДД1 (U ВЫХ = 0), то есть когда ее выходной транзистор находится в состоянии насыщения I К » U П / R К. Максимально допустимый выходной ток микросхем с открытым коллектором может быть значительно большим, чем у обычных микросхем.

Например, для микросхем с открытым коллектором К155ЛЛ2, К155ЛИ5, К155ЛА18 максимальный выходной втекающий ток может достигать 300 мА, а максимальное напряжение на выходе в состоянии «Лог.1» может составлять 30 В, что позволяет коммутировать нагрузку мощностью до 9 Вт.

Если нагрузка, например катушка реле или пневмораспределителя, рассчитана на напряжение и ток, не превышающие допустимые для данной микросхемы, то она может быть включена непосредственно на выход микросхемы (рис. 4.3, б ). При этом реле К1 срабатывает, если на выходе ДД2 имеем «Лог.0» и отключается при «Лог.1» на выходе ДД2. Диод VD1, включенный в обратном направлении, обеспечивает защиту микросхемы от перенапряжения, возникающего при отключении катушки реле за счет накопленной в ней электромагнитной энергии.

Для управления нагрузкой с большим рабочим напряжением и током можно использовать схему, где коммутация силовой цепи осуществляется дополнительным транзистором VТ1, включенным на выход микросхемы с открытым коллектором ДД1 и работающим в ключевом режиме (рис. 4.4).

Рисунок 4.4– Подключение нагрузки через транзисторный ключ

При «Лог.0» на выходе ДД1 транзистор VТ1 закрыт и реле К1 отключено. При «Лог.1» на выходе ДД1 транзистор открывается (переходит в состояние насыщения). Ток через транзистор в режиме насыщения определяется напряжением питания U 1 и сопротивлением катушки реле R К1 , так как падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения U КН » 0:

Напряжение питания U 1 должно выбираться равным рабочему напряжению нагрузки (в данном случае реле К1), а транзистор VТ1 должен выбираться с допустимым напряжением на коллекторе, большим U 1 , и допустимым током коллектора, большим I К1 .

Режим насыщения транзистора достигается при

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие выполнялось при минимальном значении статического коэффициента усиления по току h 21Э = h 21Э min для данного типа транзистора.

При этом должно выполняться условие

U П /R 1 ³I БН g = gI КН / h 21Эmin

где g - степень насыщения (g = 1,2…2).

Диод VД1 обеспечивает защиту транзистора от коммутационных перенапряжений. Диод VД2 обеспечивает напряжение смещения, необходимое для запирания транзистора при «Лог.0» на выходе ДД1. Напряжение смещения подается на базу через резистор R2.

Если нагрузка обладает значительной индуктивностью, то она шунтируется диодом, включенным в обратном направлении (см. рис. 4.3, б, рис. 4.4).

Логические микросхемы с открытым коллектором применяют также для управления технологическим (например сварочным) оборудованием. В блоках управления современным сварочным оборудованием (например, в блоках управления сварочными полуавтоматами серии БУСП, блоках управления циклом контактной сварки серии РКС) предусмотрено управление включением непосредственно с помощью микросхемы с открытым коллектором, подключаемой к определенному входу блока управления (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 – Схема управления технологическим оборудованием с помощью логической микросхемы с открытым коллектором