Sähköpiiriä, joka on suunniteltu suorittamaan jokin looginen toiminto tulodatalle, kutsutaan logiikkaelementiksi. Tulotiedot esitetään tässä eritasoisten jännitteiden muodossa, ja lähdön loogisen toiminnan tulos saadaan myös tietyn tason jännitteen muodossa.
Tässä tapauksessa operandit syötetään - logiikkaelementin sisääntuloon vastaanotetaan korkean tai matalan jännitteen muodossa olevia signaaleja, jotka olennaisesti toimivat syöttötietoina. Siten korkean tason jännite - looginen 1 - osoittaa operandin todellista arvoa ja matalan tason jännite 0 - väärää arvoa. 1 - TOSI, 0 - EPÄTOSI.
Looginen elementti- elementti, joka toteuttaa tiettyjä loogisia suhteita tulo- ja lähtösignaalien välillä. Logiikkaelementtejä käytetään yleensä tietokoneiden loogisten piirien ja diskreettien automaattisten valvonta- ja ohjauspiirien rakentamiseen. Kaiken tyyppisille loogisille elementeille niiden fyysisestä luonteesta riippumatta on tunnusomaista tulo- ja lähtösignaalien diskreetit arvot.
Logiikkaelementeillä on yksi tai useampi tulo ja yksi tai kaksi (yleensä käänteistä toisilleen) lähtöä. Loogisten elementtien lähtösignaalien "nollien" ja "ykkösten" arvot määräytyvät elementin suorittaman loogisen toiminnon sekä toistettavien tulosignaalien "nollien" ja "ykkösten" arvoista. riippumattomien muuttujien rooli. On olemassa alkeellisia loogisia toimintoja, joista mikä tahansa monimutkainen looginen funktio voidaan muodostaa.
Elementtipiirin suunnittelusta riippuen sen sähköisistä parametreista tulon ja lähdön loogisilla tasoilla (korkeat ja matalat jännitetasot) on samat arvot korkealle ja matalalle (tosi ja epätosi) tiloille.
Perinteisesti logiikkaelementit valmistetaan erityisten radiokomponenttien - integroitujen piirien - muodossa. Loogiset operaatiot, kuten konjunktio, disjunktio, negaatio ja modulo-lisäys (AND, OR, NOT, XOR) ovat perusoperaatioita, jotka suoritetaan loogisten porttien päätyypeille. Seuraavaksi tarkastellaan kutakin tämäntyyppistä logiikkaelementtiä tarkemmin.
Looginen elementti "AND" - konjunktio, looginen kertolasku, AND
"AND" on looginen elementti, joka suorittaa konjunktion tai loogisen kertolaskutoiminnon syöttötiedolle. Tällä elementillä voi olla 2-8 (tuotannossa yleisimmät ovat "AND"-elementit, joissa on 2, 3, 4 ja 8 tuloa) sisääntuloa ja yksi lähtö.
Loogisten elementtien "AND" symbolit, joissa on eri määrä tuloja, on esitetty kuvassa. Tekstissä looginen elementti "AND", jossa on tietty määrä tuloja, on merkitty "2I", "4I" jne. - "AND"-elementti, jossa on kaksi tuloa, neljä tuloa jne.
Elementin 2I totuustaulukko osoittaa, että elementin lähtö on looginen vain, jos loogiset ovat samanaikaisesti ensimmäisessä ja toisessa sisääntulossa. Muissa kolmessa mahdollisessa tapauksessa tulos on nolla.
Länsi-kaavioissa I-elementin kuvakkeen sisääntulossa on suora viiva ja lähdössä pyöristetty viiva. Kotimaisissa kaavioissa - suorakulmio, jossa on symboli "&".
Looginen elementti "OR" - disjunktio, looginen lisäys, OR
"OR" on looginen elementti, joka suorittaa disjunktio- tai loogisen summaustoiminnon syöttödatalle. Se, kuten "I"-elementti, on saatavana kahdella, kolmella, neljällä jne. sisääntulolla ja yhdellä lähdöllä. Loogisten elementtien "OR" symbolit erilaisilla tulomäärillä on esitetty kuvassa. Nämä elementit on merkitty seuraavasti: 2OR, 3OR, 4OR jne.
"2OR"-elementin totuustaulukko osoittaa, että loogisen ilmestymiseksi ulostulossa riittää, että looginen on ensimmäisessä sisääntulossa TAI toisessa sisääntulossa. Jos kahdessa sisääntulossa on yhtä aikaa loogisia, myös lähtö on yksi.
Länsi-kaavioissa "OR"-elementin kuvakkeella on pyöristetty sisääntulo ja pyöristetty, terävä tuloste. Kotimaisissa kaavioissa on suorakulmio, jossa on symboli "1".
Logiikkaelementti "NOT" - negaatio, invertteri, EI
"EI" on looginen elementti, joka suorittaa loogisen negaatiotoiminnon syöttödatalle. Tätä elementtiä, jolla on yksi lähtö ja vain yksi tulo, kutsutaan myös invertteriksi, koska se itse asiassa invertoi (kääntää) sisääntulosignaalin. Kuvassa on loogisen elementin "EI" symboli.
Invertterin totuustaulukko osoittaa, että korkea tulopotentiaali tuottaa alhaisen lähtöpotentiaalin ja päinvastoin.
Länsimaisissa kaavioissa "EI"-elementtikuvake on kolmion muotoinen, jonka lähdössä on ympyrä. Kotimaisissa kaavioissa on suorakulmio, jossa on symboli “1”, jonka lähdössä on ympyrä.
Looginen elementti "NAND" - konjunktio (looginen kertolasku) negaatiolla, NAND
"AND-NOT" on looginen elementti, joka suorittaa loogisen summausoperaation syötetiedolle ja sitten loogisen negaatiooperaation, jonka tulos lähetetään ulostuloon. Toisin sanoen se on pohjimmiltaan "AND"-elementti, jota täydentää "NOT"-elementti. Kuvassa on loogisen elementin “2AND-NOT” symboli.
NAND-portin totuustaulukko on AND-portin totuustaulukon vastakohta. Kolmen nollan ja yhden sijasta on kolme ykköstä ja nolla. NAND-elementtiä kutsutaan myös "Schaeffer-elementiksi" matemaatikko Henry Maurice Schaefferin kunniaksi, joka pani ensimmäisen kerran merkille sen merkityksen vuonna 1913. Merkitään "I", vain ympyrä lähdössä.
Looginen elementti "OR-NOT" - disjunktio (looginen lisäys) negaatiolla, NOR
"OR-NOT" on looginen elementti, joka suorittaa loogisen summaustoiminnon tulotiedoille ja sitten loogisen negaatiooperaation, jonka tulos lähetetään ulostuloon. Toisin sanoen tämä on "OR"-elementti, jota täydentää "EI"-elementti - invertteri. Kuvassa on loogisen elementin “2OR-NOT” symboli.
TAI-portin totuustaulukko on TAI-portin totuustaulukon vastakohta. Suuri lähtöpotentiaali saadaan vain yhdessä tapauksessa - molempiin tuloihin syötetään samanaikaisesti matalat potentiaalit. Se on merkitty "OR", vain ympyrä lähdössä osoittaa inversion.
Logiikkaportti "exclusive OR" - lisäys modulo 2, XOR
"Exclusive OR" on looginen elementti, joka suorittaa loogisen summausoperaation modulo 2 tulodatalle, ja jolla on kaksi tuloa ja yksi lähtö. Usein näitä elementtejä käytetään ohjauspiireissä. Kuvassa on tämän elementin symboli.
Länsimaisissa piireissä kuva on kuin "OR", jossa on ylimääräinen kaareva nauha tulopuolella, kotimaisissa se on kuin "OR", vain "1": n sijaan kirjoitetaan "=1".
Tätä loogista elementtiä kutsutaan myös "erittäisyydeksi". Korkea jännitetaso on lähdössä vain silloin, kun signaalit tulossa eivät ole samat (yksi on yksi, toinen on nolla tai yksi on nolla ja toinen on yksi), vaikka sisääntulossa olisi kaksi ykköstä samaan aikaan lähtö on nolla - tämä on ero "TAI":sta. Näitä logiikkaelementtejä käytetään laajasti summaimissa.
LOGISET ELEMENTIT
Yleistä tietoa.
Edellä todettiin, että loogiset funktiot ja niiden argumentit ottavat arvot log.0 ja log.1. On syytä muistaa, että laitteissa log.0 ja log.1 vastaavat tietyn tason (tai muodon) jännitettä. Yleisimmin käytetään kahta tapaa log.0:n ja log.1:n fyysiseen esittämiseen: potentiaalia ja impulssia.
Potentiaalimuodossa (kuva 2.1, a ja 2.1, b) käytetään kahden tason jännitettä kuvaamaan log.0 ja log.1: korkea taso vastaa log.1 ( tason loki.1) ja alhainen taso vastaa log.0 ( taso log.0). Tätä tapaa esittää loogisten suureiden arvoja kutsutaan positiiviseksi logiikaksi. On suhteellisen harvinaista käyttää ns. negatiivista logiikkaa, jossa log.1 asetetaan matalalle jännitetasolle ja log.0 korkealle tasolle. Seuraavassa, ellei toisin mainita, käytämme vain positiivista logiikkaa.
Pulssimuodossa log.1 vastaa pulssin läsnäoloa ja logiikka 0 pulssin puuttumista (kuva 2.1, c).
Huomaa, että jos potentiaalimuodossa signaalia vastaava informaatio (log.1 tai log.0) voidaan määrittää lähes milloin tahansa, niin pulssimuodossa jännitetason ja loogisen arvon arvon välinen vastaavuus selviää. tietyillä diskreetillä ajanhetkellä (ns. kellohetkellä), jotka on esitetty kuvassa 2.1, kokonaislukuina t = 0, 1, 2,...
Loogisten elementtien yleiset nimitykset.
Logiikkaportit perustuvat AND-, TAI-, EI-komponentteihin.
diodielementti TAI (kokoonpano)
Diodipohjaisessa TAI-portissa on kaksi tai useampia tuloja ja yksi lähtö. Elementti voi toimia sekä potentiaali- että impulssiesitys loogisten suureiden kanssa.
Kuvassa Kuvassa 2.2a on kaavio diodielementistä, joka toimii positiivisen polariteetin potentiaalien ja pulssien kanssa. Käytettäessä negatiivista logiikkaa ja negatiivisia potentiaalia tai negatiivisen polariteetin pulsseja, on tarpeen muuttaa diodien napaisuutta, kuten kuvassa 2.2, b.
Tarkastellaan kuvion piirin toimintaa. 2.2,a. Jos pulssi (tai korkea potentiaali) vaikuttaa vain yhteen tuloon, tähän tuloon kytketty diodi avautuu ja pulssi (tai korkea potentiaali) välittyy avoimen diodin kautta vastukseen R. Tässä tapauksessa jännite, jonka napaisuus on jossa piirien diodit on muodostettu vastukseen R, loput tulot ovat lukitusjännitteen alaisia.
riisi. 2.2.
Jos logiikkaa 1 vastaavia signaaleja vastaanotetaan samanaikaisesti useissa tuloissa, niin jos näiden signaalien tasot ovat täysin samat, kaikki näihin tuloihin kytketyt diodit avautuvat.
Jos avoimen diodin resistanssi on pieni verrattuna vastuksen R resistanssiin, lähtöjännitetaso on lähellä tulosignaalin tasoa riippumatta siitä, kuinka monessa sisääntulossa logic 1 -signaali on samanaikaisesti aktiivinen.
Huomaa, että jos tulosignaalien tasot poikkeavat toisistaan, vain sen tulon diodi, jonka signaalitaso on korkein, avautuu. Vastuksen R yli syntyy jännite, joka on lähellä suurinta tuloissa vaikuttavista jännitteistä. Kaikki muut diodit sulkeutuvat ja irrottavat lähdöstä lähteet, joiden signaalitaso on alhainen.
Tällöin elementin lähtöön syntyy logiikkaa 1 vastaava signaali, jos logiikka 1 on aktiivinen ainakin yhdessä sisääntuloista. Siksi elementti toteuttaa disjunktiooperaation (OR-operaation).
Tarkastellaan lähtöpulssin muotoon vaikuttavia tekijöitä. Olkoon elementillä n tuloa ja yksi niistä syötetään suorakaiteen muotoisella jännitepulssilla lähteestä, jonka lähtövastus on Rout. Tähän tuloon kytketty diodi on avoin ja edustaa pientä vastusta. Erilliset diodit ovat kiinni, niiden p-n-liitosten kapasitanssit C tuloihin kytkettyjen lähteiden lähtöresistanssien kautta osoittautuvat kytketyiksi rinnan elementin lähdön kanssa. Kuorman ja asennuskapasitanssin C n kanssa muodostuu jonkin verran ekvivalenttikapasitanssia C eq = C d + (n-1) C d, joka on kytketty rinnan R (kuva 2.3, a).
Tällä hetkellä sisäänmenoon syötetään pulssi, kapasitanssista Cec johtuen lähtöjännite ei voi nousta äkillisesti; se kasvaa eksponentiaalisesti aikavakion kanssa
(R out< R), стремясь к значению U вх R/(R + R вых).
riisi. 2.3.
Sillä hetkellä, kun tulopulssi päättyy, jännite varatun kondensaattorin C eq yli ei voi pudota äkillisesti; se pienenee eksponentiaalisesti aikavakiolla (tällä hetkellä kaikki diodit ovat kiinni); koska lähtöpulssin katkaisuaika on pidempi kuin sen etuosan kesto (kuva 2.3, b). Seuraavan pulssin syöttäminen elementin tuloon on sallittua vasta sen jälkeen, kun edellisen pulssin vaikutuksesta tulevan lähdön jäännösjännite laskee tiettyyn pieneen arvoon. Tästä syystä lähtöjännitteen hidas lasku edellyttää kellovälin lisäämistä ja aiheuttaa siten suorituskyvyn heikkenemisen.
diodielementti JA (sovituspiiri)
JA-portissa on yksi lähtö ja kaksi tai useampia tuloja. AND-diodielementti voi toimia sekä potentiaali- että pulssimuodossa esitetyn tiedon kanssa.
Kuvassa 2.4a on esitetty positiivisille tulojännitteille käytetty piiri. Käytettäessä negatiivista logiikkaa ja negatiivisia tulojännitteitä tai negatiivisen polariteetin pulsseja, on välttämätöntä muuttaa syöttöjännitteen napaisuutta ja diodien napaisuutta (kuva 2.4b).
riisi. 2.4.
Olkoon yhden kuvan 2.4a piirin tuloista log.0-tasoa vastaava matala jännitetaso. Virta suljetaan piirissä lähteestä E vastuksen R, avoimen diodin ja matalan tulojännitelähteen kautta. Koska avoimen diodin resistanssi on pieni, sisääntulon pieni potentiaali välittyy avoimen diodin kautta lähtöön. Jäljellä oleviin tuloihin kytketyt diodit, jotka ovat alttiina korkealle jännitetasolle, osoittautuvat suljetuiksi. Diodiin vaikuttava jännite voidaan määrittää summaamalla jännitteet, kun diodin ulkopuolinen piiri ohitetaan sen anodista katodille. Tällä ohituksella diodin jännite on U d = U out - U in. Siten diodien anodeihin syötetty lähtöjännite on niille positiivinen ja pyrkii avaamaan diodit; katodille syötetty syöttöjännite on negatiivinen, mikä pyrkii sulkemaan diodin. Ja jos olet ulos< u вх, то U д отрицательно и диод закрыт. Именно поэтому, когда на выходе элемента низкий потенциал (уровень лог.0), а на входе высокий потенциал (уровень лог.1), подключенный к этому входу диод оказывается закрытым.
Näin ollen, jos ainakin yhdellä tuloista on matalatasoinen jännite (log.0), niin elementin lähtöön syntyy matalan tason jännite (log.0).
Anna korkean tason jännitteiden toimia kaikissa tuloissa (log.1). Niiden merkitys voi hieman poiketa. Tässä tapauksessa diodi, joka on kytketty tuloon pienemmällä jännitteellä, on auki. Tämä jännite välittyy diodin kautta lähtöön. Loput diodit ovat käytännössä kiinni. Lähtöjännite asetetaan korkealle tasolle (log.1).
Tämän seurauksena elementin lähtöön asetetaan looginen 1-tason jännite, jos ja vain jos looginen 1-tason jännite toimii kaikissa tuloissa. Näin ollen varmistamme, että elementti suorittaa loogisen AND-operaation.
Tarkastellaan lähtöpulssin muotoa (kuva 2.5).
Oletetaan, että lähtöön on kytketty jokin vastaava kapasitiivinen elementti C eq, jonka kapasitanssi sisältää kuorman, asennuksen ja suljettujen diodien kapasitanssit. Kun jännitepulssi syötetään samanaikaisesti kaikkiin tuloihin, C eq:n jännite (elementin lähdössä) ei voi nousta äkillisesti. Kaikki diodit osoittautuvat aluksi suljetuiksi tulojännitteillä, jotka ovat negatiivisia diodeille. Siksi tulosignaalilähteet irrotetaan C eq:sta. Kondensaattori C eq ladataan lähteestä E vastuksen R kautta. Kondensaattorin (ja siten elementin lähdön) jännite kasvaa eksponentiaalisesti aikavakiolla (kuva 2.5b). Sillä hetkellä, kun uout ylittää minimitulojännitteen, vastaava diodi avautuu ja uin:n kasvu pysähtyy. Virta lähteestä E, joka on aiemmin suljettu C eq:n kautta, kytketään avoimeen diodipiiriin.
riisi. 2.5.
Tällä hetkellä tulopulssit päättyvät, kaikki diodit avautuvat niille positiivisella jännitteellä u. Suhteellisen nopea C eq:n purkautuminen tapahtuu avoimien diodien ja tulosignaalilähteiden alhaisten lähtöresistanssien kautta. Lähtöjännite pienenee eksponentiaalisesti pienellä aikavakiolla.
Diodielementtien OR- ja AND-lähtöpulssien muotojen vertailu osoittaa, että OR-elementissä pulssin katkaisu on laajempi ja AND-elementissä sen etuosa on laajempi.
transistorielementti EI (invertteri)
riisi. 2.6.
Toimintoa ei voida toteuttaa kuvassa 2 esitetyllä avainelementillä. 2.6,a. On pidettävä mielessä, että tämä elementti suorittaa NOT-operaation vain loogisten arvojen mahdolliselle esitysmuodolle. Kun tulosignaalin taso on matala, mikä vastaa log.0:aa, transistori suljetaan ja sen ulostuloon asetetaan korkea jännite E (log1). Ja päinvastoin, korkealla tulojännitetasolla (log.1-taso) transistori kyllästyy, ja sen lähdössä asetetaan jännite lähellä nollaa (log.0-taso). Tulo- ja lähtöjännitteiden käyrät on esitetty kuvassa. 2.6, b.
JA-EI-kannan integraaliset loogiset elementit ja niiden parametrit.
Integraalisia logiikkaelementtejä käytetään potentiaalisessa muodossa loogisten suureiden esittämiseen.
Integroidun elementin AND-NOT-tyyppinen DTL kaavio on esitetty kuvassa. 2.7. Elementti voidaan jakaa kahteen toiminnalliseen osaan, jotka on kytketty sarjaan. Tulosuureet syötetään osaan, joka on diodi JA-portti.Elementin toinen osa, joka on tehty transistorille, on invertteri (suorittaa NOT-operaation). Siten elementti suorittaa peräkkäin loogiset toiminnot JA ja EI ja näin ollen kokonaisuutena se toteuttaa loogisen JA-EI-operaation.
Jos korkean tason jännite (log.1) toimii kaikissa elementin tuloissa, niin piirin ensimmäisen osan lähdössä (pisteessä A) syntyy korkea jännite. Tämä jännite välittyy VD-diodien kautta kyllästystilassa olevan transistorin tuloon, elementin lähdössä jännite on alhainen (log.0).
riisi. 2.7.
Jos ainakin yhdessä sisääntulossa on matalan tason jännite (log.0), niin pisteeseen A muodostuu matalan tason jännite (lähellä nollaa), transistori on kiinni ja korkeatasoinen jännite (log.1). ) on elementin lähdössä. Diodielementin AND toiminta integroidussa versiossa eroaa edellä mainitun saman elementin toiminnasta erillisillä komponenteilla siinä, että kun logiikkaa 1 sovelletaan samanaikaisesti kaikkiin tuloihin, kaikki diodit osoittautuvat suljetuiksi. Tästä johtuen virrankulutus tulojännitteen syöttävästä lähteestä log.1:een pienenee hyvin pieneen arvoon.
Katsotaanpa tarkemmin elementin invertteriosan toimintaa. Huomioikaa ensin joitakin integroitujen piiritransistorien ominaisuuksia. Mikropiireissä käytetään n-p-n-tyyppisiä piitransistoreita (tässä tapauksessa kollektorin syöttöjännitteellä on positiivinen polariteetti ja transistori avautuu, kun kannan ja emitterin välillä on positiivinen jännite). Kuvassa Kuvassa 2.8 on esitetty tyypillinen kollektorivirran riippuvuus kannan ja emitterin välisestä jännitteestä aktiivisessa tilassa. Tämän ominaisuuden erikoisuus on, että käytännössä transistori alkaa avautua suhteellisen korkeilla perusjännitteen arvoilla (yleensä yli 0,6 V). Tämän ominaisuuden avulla voit tehdä ilman perusbias-lähteitä, koska jopa positiivisilla jännitteillä voltin kymmenesosien juuressa transistori osoittautuu käytännössä suljetuksi. Lopuksi toinen mikropiiritransistorin ominaisuus on, että kollektorin ja emitterin välinen jännite saturaatiotilassa on suhteellisen korkea (se voi olla 0,4 V tai suurempi).
riisi. 2.8.
Syötetään signaalit loogisen elementin tuloihin samanlaisten elementtien lähdöistä. Otetaan log.1 jännite 2,6 V, log.0 jännite 0,6 V, avoimien diodien jännite ja kyllästyneen transistorin kantaemitterijännite on 0,8 V.
Kun 2,6 V:n jännite (log 1 -taso) syötetään kaikkiin tuloihin (katso kuva 2.7), diodit tuloissa sulkeutuvat, virta lähteestä E 1 vastuksen R 1 kautta, diodit VD kulkevat kantaan. transistorin asettamalla transistorin saturaatiotilaan. Elementin lähtöön syntyy 0,6 V:n matalajännite (log-taso 0). Jännite U A on yhtä suuri kuin diodien VD jännitteiden ja jännitteen U BE summa: 3 0,8 = 2,4 V. Tulodiodit ovat siten 0,2 V:n käänteisjännitteen alaisia.
Jos ainakin yksi tuloista syötetään matalatasoisella 0,6 V:n jännitteellä (log-taso 0), niin lähteestä E1 tuleva virta suljetaan vastuksen R1, avoimen tulodiodin ja tulosignaalilähteen kautta. Tässä tapauksessa U A = 0,8 + 0,6 = 1,4 V. Tällä jännitteellä transistori sammuu VD-diodien (näitä diodeja kutsutaan ns. bias diodit). Lähteestä E 1 tuleva virta, joka kulkee vastuksen R 1, diodien VD ja vastuksen R 2 läpi, aiheuttaa jännitehäviön esijännitediodeihin lähellä U A:ta. Jännite U BE on positiivinen, mutta huomattavasti pienempi kuin 0,6 V, ja transistori on kiinni.
AND-NOT-elementti dioditransistorilogiikassa (DTL)
Kuvassa 2.9 esitetyn elementin peruspiiri, kuten edellä käsitellyn DTL-elementin piiri, koostuu kahdesta sarjaan kytketystä toiminnallisesta osasta: AND-operaation suorittavasta piiristä ja invertteripiiristä. TTL-elementin AND-piirin rakenteen erottuva piirre on, että se käyttää yhtä moniemitteritransistoria MT, joka korvaa ryhmän DTL-piirin tulodiodeja. MT:n emitteriliitokset toimivat tulodiodeina ja kollektoriliitos bias-diodina elementtipiirin invertoivan osan transistorin kantapiirissä.
Kun tarkastellaan MT:n toimintaperiaatetta, sen voidaan kuvitella koostuvan yksittäisistä transistoreista, joissa on yhdistetyt kannat ja kollektorit, kuten kuvassa 2.9, b.
riisi. 2.9
Käytetään elementin kaikkiin tuloihin logiikka 1 -tason jännite (3,2 V). Potentiaalien mahdollinen jakautuminen piirin yksittäisissä kohdissa on esitetty kuvassa 2.10a. Emitteriliitokset MT osoittautuvat käänteisesijännitteisiksi (emitteripotentiaalit ovat korkeammat kuin kantapotentiaalit), kollektoriliitos MT sitä vastoin on biasoitu eteenpäin (kollektoripotentiaali on pienempi kuin kantapotentiaali). Siten MT voidaan esittää transistoreilla, jotka toimivat aktiivisessa tilassa käänteisellä kytkennällä (tällaisessa kytkennässä emitterin ja kollektorin roolit vaihtavat). Moniemitteritransistori on suunniteltu siten, että sen vahvistus käänteisessä yhteydessä on paljon pienempi kuin yksikkö. Siksi emitterit ottavat pienen virran tulosignaalilähteistä (toisin kuin DTL-elementeissä, joissa tämä virta suljettujen tulodiodien kautta on käytännössä nolla). Kantavirta MT virtaa kollektoriliitoksen kautta transistorin VT kantaan pitäen jälkimmäisen kyllästymistilassa. Lähtöjännite on asetettu matalalle tasolle (log.0).
riisi. 2.10.
Tarkastellaanpa piirin toista tilaa. Olkoon ainakin yhden tulon jännitetaso log.0. Tuloksena oleva potentiaalijakauma on esitetty kuvassa 2.10b. MT-kantapotentiaali on korkeampi kuin emitteri- ja kollektoripotentiaali. Tämän seurauksena molemmat liitokset, emitteri ja kollektori, ovat eteenpäin biasoituja ja MT on saturaatiotilassa. MT:n koko kantavirta on suljettu emitteriliitosten kautta. Emitterin ja kollektorin välinen jännite on lähellä nollaa ja emitteriin vaikuttava matala jännitetaso välittyy MT:n kautta transistorin VT kantaan. Transistori VT on kiinni, lähtöjännitetaso on korkea (logitaso 1). Tässä tapauksessa lähes koko MT:n kantavirta on suljettu MT:n myötäsuuntaisen biasoidun emitteriliitoksen kautta.
Integroitujen logiikkaelementtien perusparametrit
Katsotaanpa tärkeimpiä parametreja ja tapoja parantaa niitä.
Syöttöjen yhdistämiskerroin määrittää loogisten muuttujien syöttämiseen tarkoitettujen elementtitulojen lukumäärän. Elementillä, jolla on suuri tuloyhdistyskerroin, on laajemmat loogiset ominaisuudet.
Kantavuus (tai ulostulon fanout-kerroin) määrittää samanlaisten elementtien tulojen määrän, jotka voidaan liittää tietyn elementin lähtöön. Mitä suurempi elementtien kantavuus on, sitä vähemmän elementtejä voidaan tarvita digitaalista laitetta rakennettaessa.
DTL- ja TTL-kuormituskapasiteetin lisäämiseksi käytetään monimutkaista invertoivan osan piiriä. Kuvassa 2.11 on kaavio elementistä, jossa on yksi monimutkaisen invertterin versioista.
riisi. 2.11
Kuva 2.11a havainnollistaa aktivoitujen elementtien tilan. Jos kaikkien tulojen logiikkatason jännite on 1, kaikki vastuksen R1 kautta kulkeva virta syötetään transistorin VT2 kannalle. Transistori VT2 avautuu ja menee kyllästystilaan. Transistorin VT2 emitterivirta virtaa transistorin VT5 kantaan pitäen tämän transistorin auki. Transistorit VT3 ja VT4 ovat kiinni, koska kunkin emitteriliitoksessa syötetään 0,3 V jännite, joka ei riitä transistorien avaamiseen.
Kuvassa 2.11b näyttää tilan, jossa elementti sammutetaan. Jos ainakin yhden tulon jännitetaso on log.0, niin vastuksen R1 virta kytketään kokonaan tulopiiriin. Transistorit VT2 ja VT5 sulkeutuvat, lähtöjännite on log.1 tasolla. Transistorit VT3, VT4 toimivat kahdessa sarjakytketyssä emitteriseuraajassa, joiden tuloon syötetään virtaa vastuksen R2 kautta ja transientin VT4 emitterivirta syöttää kuormaa.
Kun yksinkertaisella invertterillä varustettu elementti kytketään pois päältä, virta syötetään kuormaan teholähteestä suuren vastuksen omaavan kollektorivastuksen Rк kautta (katso kuva 2.11b). Tämä vastus rajoittaa kuorman maksimivirran arvoa (kuormitusvirran kasvaessa jännitehäviö Rk:n yli kasvaa, lähtöjännite laskee). Elementissä, jossa on monimutkainen invertteri, kuormaan syötetään emitteriseuraajapiirissä toimivan transistorin VT4 emitterivirta. Koska emitteriseuraajan lähtöresistanssi on pieni, lähtöjännite on vähemmän riippuvainen kuormitusvirrasta ja suuret kuormitusvirran arvot ovat sallittuja.
Esitysloogiset elementit on yksi loogisten elementtien tärkeimmistä parametreista, se arvioidaan signaalin etenemisen viiveellä elementin tulosta lähtöön.
Kuva 2.12 näyttää loogisen elementin (invertterin) tulo- ja lähtösignaalien muodon: t 1,0 3 - viiveaika elementin lähdön kytkemiseksi tilasta 1 tilaan 0; t 0,1 3 - kytkentäviive tilasta 0 tilaan 1. Kuten kuvasta voidaan nähdä, viiveaika mitataan tasolla, joka on keskiarvotettu log.0 ja log.1 tasojen välillä. Keskimääräinen signaalin etenemisviive t з av = 0,5 (t 0,1 3 + t 1,0 3). Tätä parametria käytetään signaalien etenemisviiveen laskemiseen monimutkaisissa logiikkapiireissä.
riisi. 2.12
Tarkastellaan loogisen elementin suorituskykyyn vaikuttavia tekijöitä ja suorituskyvyn lisäämismenetelmiä.
Elementin transistorien kytkentänopeuden lisäämiseksi on tarpeen käyttää korkeataajuisia transistoreita ja kytkeä transistorit suurilla ohjausvirroilla peruspiirissä; Viiveajan merkittävä lyhennys saavutetaan käyttämällä transistorien kyllästettyä toimintatilaa (tässä tapauksessa aika, joka tarvitaan vähemmistökantoaaltojen resorptioon tukiasemassa, kun transistorit on kytketty pois päältä), eliminoidaan.
riisi. 2.13
Tätä prosessia voidaan nopeuttaa seuraavilla tavoilla:
· R:n lasku (ja siten aikavakion lasku); kuitenkin samaan aikaan virtalähteestä kulutettu virta ja teho kasvavat;
· pienten jännitehäviöiden käyttö elementissä;
· emitterin seuraajaelementin käyttö lähdössä, mikä vähentää kuormituskapasitanssin vaikutusta.
Alla, kun kuvataan emitterikytketyn logiikan loogisia elementtejä, esitetään näiden menetelmien käyttö elementtien nopeuden lisäämiseksi.
riisi. 2.13
Meluimmuniteetti määräytyy häiriön maksimiarvon mukaan, joka ei aiheuta häiriöitä elementin toiminnalle.
Melunsietokyvyn kvantitatiiviseen arvioimiseen käytämme ns siirtoominaisuus looginen elementti (invertteri). Kuva 2.14 esittää tämän ominaisuuden tyypillisen muodon.
riisi. 2.14
Siirto-ominaisuus on lähtöjännitteen riippuvuus tulosta. Sen saamiseksi on tarpeen kytkeä kaikki logiikkaelementin tulot ja muuttamalla lähtöjännitettä merkitä vastaavat lähtöjännitteen arvot.
Tulojännitteen kasvaessa nollasta kynnystasolle log.0 U 0 p lähtöjännite laskee tasosta log.1 U 1 min. Panoksen lisääminen edelleen johtaa tuotannon jyrkkään laskuun. Suurilla tulojännitearvoilla, jotka ylittävät kynnystason log.1 U 0 max. Siten elementin normaalin toiminnan aikana staattisessa (vakiotilassa) tulojännitteitä U 0 p ei voida hyväksyä< u вх
Hyväksyttäväksi kohinaksi katsotaan sellainen, joka tulojännitteen päälle asetettuna ei tuota sitä ei-hyväksyttävien arvojen alueelle U 0 p< u вх
Emitter-kytketty logiikkaportti
Tyypillinen emitterikytketyn logiikan integroidun elementin piiri on esitetty kuvassa. 2.15.
riisi. 2.15.
Transistorit VT 0, VT 1, VT 2, VT 3 toimivat virtakytkinpiirissä, transistorit VT 4, VT 5 - lähtöemitterin seuraajissa. Kaavio näyttää potentiaaliarvot eri kohdissa, kun sisäänmenoon syötetään jännitetaso log.1; Samojen pisteiden potentiaalien arvot on suljettu suluissa siltä varalta, että elementin kaikkiin tuloihin sovelletaan log.0 jännitetasoa. Näiden potentiaalien arvot vastaavat seuraavia tasoja:
· virtalähdejännite Ek = 5 V;
· logiikkataso 1 U 1 = 4,3 V;
· logiikkataso 1 U 0 = 3,5 V;
· avoimen transistorin U kannan ja emitterin välinen jännite on = 0,7 V.
Tarkastellaan integroidun loogisen elementin ESL toimintaperiaatetta (katso kuva 2.15).
Kytketään jännite U 1 = 4,3 V in 1:een. Transistori VT 1 on auki; tämän transistorin emitterivirta saa aikaan jännitehäviön vastuksen yli R U a = U 1 -U be = 4,3 - 0,7 = 3,6 V; kollektorivirta muodostaa jännitteen U Rк1 = 0,8 V vastukseen Rk1; jännite transistorin kollektorissa U b = E k - U Rk1 = 5 - 0,8 = 4,2 V.
Transistorin VT 0 U kannan ja emitterin välinen jännite on VT0 = U - U a = 3,9 - 3,6 = 0,3 V; tämä jännite ei riitä avaamaan transistorin VT 0. Siten minkä tahansa transistorin VT 1, VT 2, VT 3 avoin tila johtaa transistorin VT 0 suljettuun tilaan. Virta vastuksen R k2 läpi on hyvin pieni (vain transistorin VT 5 kantavirta kulkee) ja jännite kollektorissa VT 0.
Tarkastellaanpa toista loogisen elementin tilaa. Olkoon kaikissa tuloissa jännite log.0 U 0 = 3,5 V. Tässä tapauksessa transistori VT 0 osoittautuu avoimeksi (kaikista transistoreista, joiden emitterit on yhdistetty, avautuu se, jonka jännite on korkeampi. ); Ua = U - Ube = 3,9 - 0,7 = 3,2 V; transistoreiden VT 1, VT 2, VT 3 kannan ja emitterin välinen jännite on yhtä suuri kuin U be VT1...VT0 = U 0 - U a = 3,5 - 0,7 = 0,3 V ja nämä transistorit ovat kiinni; U b = 5 V; U in = 4,2 V.
Jännitteet pisteistä b ja c välitetään elementin lähtöihin emitteritoistimien kautta; Tässä tapauksessa jännitetaso pienenee arvolla U be = 0,7 V. Huomioikaa se tärkeä seikka, että jännitteet lähtöissä ovat U 1 (4,3 V) tai U 0 (3,5 V).
Selvitetään mikä looginen funktio muodostuu elementin lähtöihin.
Kohdassa Out 2 ja kohdassa Out 2 syntyy matalatasoinen jännite, kun transistori VT 0 on auki, ts. siinä tapauksessa, että x 1 = 0, x 2 = 0, x 3 = 0. Kaikilla muilla tulomuuttujien arvojen yhdistelmällä transistori VT 0 suljetaan ja ulostuloon 2 syntyy korkea jännite. Tästä seuraa, että muuttujien x 1 Vx 1 Vx 1 disjunktio muodostuu Out 2:een. OR-NOT-toiminto muodostetaan Out 1:ssä.
Siksi logiikkaportti suorittaa NOR- ja TAI-operaatioita.
ESL-mikropiireissä piste g tehdään yhteiseksi ja piste d kytketään -5V jännitteellä olevaan virtalähteeseen. Tässä tapauksessa piirin kaikkien pisteiden potentiaalit pienennetään 5 V:iin.
Tarkasteltava looginen elementti kuuluu nopeimmin toimivien elementtien luokkaan (lyhyt signaalin etenemisviive) on varmistettu seuraavilla tekijöillä: avoimet transistorit ovat aktiivisessa tilassa (ei kyllästymistilassa); emitteriseuraajien käyttö lähdöissä nopeuttaa lähtöihin kytkettyjen kondensaattorien latausprosessia; transistorit on kytketty yhteisen kantakytkentäpiirin mukaan, mikä parantaa transistorien taajuusominaisuuksia ja nopeuttaa niiden kytkentäprosessia; Loogisten tasojen ero U 1 -U 0 = 0,8 V valittiin pieneksi (tämä kuitenkin johtaa elementin suhteellisen alhaiseen kohinansietoon).
Logiikkaelementit perustuvat MOS-transistoreihin
riisi. 2.16
Kuvassa Kuvassa 2.16 on kaavio logiikkaelementistä, jonka indusoitu kanava on tyyppiä n (ns. n MIS -tekniikka). Päätransistorit VT 1 ja VT 2 on kytketty sarjaan, transistori VT 3 toimii kuormana. Siinä tapauksessa, että elementin molemmissa tuloissa on korkea jännite U 1 (x 1 = 1, x 2 = 1), molemmat transistorit VT 1 ja VT 2 ovat auki ja lähtöön asetetaan matala jännite U 0. Kaikissa muissa tapauksissa ainakin yksi transistoreista VT 1 tai VT 2 on kiinni ja lähtöön on asetettu jännite U1. Siten elementti suorittaa loogisen JA-EI-toiminnon.
riisi. 2.17
Kuvassa Kuva 2.17 esittää kaavion OR-NOT-elementistä. Alhainen jännite U 0 asetetaan sen ulostuloon, jos ainakin yhdessä tuloista on korkea jännite U 1 , joka avaa yhden päätransistoreista VT 1 ja VT 2 .
riisi. 2.18
Kuvassa 2.18 diagrammi on kaavio KMDP-tekniikan NOR-NOT-elementistä. Siinä transistorit VT 1 ja VT 2 ovat tärkeimmät, transistorit VT 3 ja VT 4 ovat kuormittavia. Olkoon korkea jännite U 1. Tässä tapauksessa transistori VT 2 on auki, transistori VT 4 kiinni ja riippumatta toisen tulon jännitetasosta ja jäljellä olevien transistorien tilasta, lähtöön asetetaan matala jännite U 0. Elementti toteuttaa loogisen OR-NOT-operaation.
CMPD-piirille on ominaista erittäin alhainen virrankulutus (ja siten teho) virtalähteistä.
Integraalin injektiologiikan logiikkaelementit
riisi. 2.19
Kuvassa Kuva 2.19 esittää integraalin ruiskutuslogiikan (I 2 L) loogisen elementin topologiaa. Tällaisen rakenteen luomiseksi tarvitaan kaksi diffuusiovaihetta piissä n-tyypin johtavuudella: ensimmäisen vaiheen aikana muodostuvat alueet p 1 ja p 2 ja toisessa vaiheessa alueet n 2.
Elementin rakenne on p 1 -n 1 -p 2 -n 1 . On kätevää tarkastella tällaista nelikerroksista rakennetta kuvittelemalla se kahden tavanomaisen kolmikerroksisen transistorirakenteen yhteyteen:
s 1 - n 1 - s 2 n 1 - s 2 - n 1
Tätä esitystä vastaava kaavio on esitetty kuvassa 2.20, a. Tarkastellaan elementin toimintaa tämän kaavion mukaisesti.
riisi. 2.20
Transistori VT 2, jonka rakenne on tyyppi n 1 -p 2 -n 1, suorittaa useiden lähtöjen vaihtosuuntaajan toimintoja (jokainen kollektori muodostaa erillisen elementin lähdön avoimen kollektoripiirin mukaisesti).
Transistori VT 2, ns injektori, sen rakenne on p 1 -n 1 -p 2 . Koska näiden transistorien alue n1 on yhteinen, transistorin VT 2 emitteri on kytkettävä transistorin VT 1 kantaan; yhteisen alueen p 2 olemassaolo johtaa tarpeeseen yhdistää transistorin VT 2 kanta transistorin VT 1 kollektoriin. Tämä luo yhteyden transistorien VT 1 ja VT 2 välille, kuten kuvassa 2.20a.
Koska transistorin VT 1 emitterillä on positiivinen potentiaali ja kanta on nollapotentiaalissa, emitteriliitos on eteenpäin esijännitetty ja transistori on auki.
Tämän transistorin kollektorivirta voidaan sulkea joko transistorin VT 3 (edellisen elementin invertteri) tai transistorin VT 2 emitteriliitoksen kautta.
Jos edellinen looginen elementti on avoimessa tilassa (transistori VT 3 on auki), niin tämän elementin sisääntulossa on matala jännitetaso, joka VT 2:n perusteella toimien pitää tämän transistorin suljetussa tilassa. Injektorin virta VT 1 suljetaan transistorin VT 3 kautta. Kun edellinen logiikkaelementti on kiinni (transistori VT 3 on kiinni), injektorin VT 1 kollektorivirta virtaa transistorin VT 2 kantaan ja tämä transistori on asetettu avoimeen tilaan.
Siten, kun VT 3 on kiinni, transistori VT 2 on auki ja päinvastoin, kun VT 3 on auki, transistori VT 2 on kiinni. Elementin avoin tila vastaa log.0-tilaa ja suljettu tila log.1-tilaa.
Injektori on tasavirran lähde (joka voi olla yhteinen elementtiryhmälle). Usein he käyttävät elementin tavanomaista graafista merkintää, joka on esitetty kuvassa. 2.21, s.
Kuvassa Kuvassa 2.21a on esitetty piiri, joka toteuttaa OR-NOT-toiminnon. Elementtikeräinten kytkentä vastaa ns asennus I. Itse asiassa riittää, että ainakin yksi elementeistä on avoimessa tilassa (log.0-tila), jolloin seuraavan elementin injektorivirta sulkeutuu avoimen invertterin kautta ja matala log.0-taso muodostuu elementtien yhdistetty tulos. Näin ollen tässä lähdössä muodostetaan arvo, joka vastaa loogista lauseketta x 1 · x 2. De Morgan-muunnoksen soveltaminen siihen johtaa lausekkeeseen x 1 · x 2 = . Siksi tämä elementtien kytkentä todella toteuttaa TAI-EI-operaation.
riisi. 2.21
Logiikkaelementeillä JA 2 L on seuraavat edut:
· tarjota korkea integraatioaste; I 2 L -piirien valmistuksessa käytetään samoja teknisiä prosesseja kuin integroitujen piirien valmistuksessa bipolaarisille transistoreille, mutta teknisten toimintojen ja tarvittavien valonaamarien määrä on pienempi;
· käytetään alennettua jännitettä (noin 1 V);
· tarjota kyky vaihtaa tehoa laajalla suorituskykyalueella (virrankulutusta voidaan muuttaa useilla suuruusluokilla, mikä johtaa vastaavasti suorituskyvyn muutokseen);
· ovat hyvin sopusoinnussa TTL-elementtien kanssa.
Kuvassa Kuva 2.21b esittää kaavion siirtymisestä I 2 L -elementeistä TTL-elementtiin.
Logiikkaelementit toimivat itsenäisinä elementteinä matalan integrointiasteen mikropiirien muodossa, ja ne sisältyvät komponenttien muodossa korkeamman integrointiasteen mikropiireihin. Tällaisia elementtejä on kymmeniä.
Mutta ensin puhumme vain neljästä niistä - nämä ovat elementtejä JA, TAI, EI, JA-EI. Pääelementit ovat kolme ensimmäistä, ja AND-NOT-elementti on jo AND- ja NOT-elementtien yhdistelmä. Näitä elementtejä voidaan kutsua digitaalitekniikan "rakennuspalikoiksi". Ensinnäkin meidän pitäisi pohtia, mikä on heidän toimintansa logiikka?
Muistakaamme digitaalisia mikropiirejä käsittelevän artikkelin ensimmäinen osa. Siellä sanottiin, että 0...0,4V mikropiirien sisääntulossa (lähdössä) oleva jännite on looginen nollataso eli matalatasoinen jännite. Jos jännite on välillä 2,4...5,0 V, tämä on looginen yksitasoinen tai korkean tason jännite.
K155-sarjan mikropiirien ja muiden mikropiirien, joiden syöttöjännite on 5 V, toimintatila on ominaista juuri näillä tasoilla. Jos jännite mikropiirin lähdössä on välillä 0,4...2,4 V (esimerkiksi 1,5 tai 2,0 V), voit jo harkita tämän mikropiirin vaihtamista.
Käytännön neuvoja: varmistaaksesi, että tämä mikropiiri on viallinen lähdössä, sinun tulee irrottaa siitä sen vieressä olevan mikropiirin tulo (tai useita tämän mikropiirin lähtöön kytkettyjä tuloja). Nämä tulot voivat yksinkertaisesti "tehostaa" (ylikuormittaa) mikropiirin lähtöä.
Perinteiset graafiset symbolit
Graafinen symboli on suorakulmio, joka sisältää tulo- ja lähtörivit. Elementtien syöttörivit sijaitsevat vasemmalla ja lähtölinjat oikealla. Sama koskee kokonaisia levyjä, joissa on piirejä: vasemmalla puolella ovat kaikki tulosignaalit, oikealla lähdöt. Se on kuin rivi kirjassa vasemmalta oikealle, joten se on helpompi muistaa. Suorakulmion sisällä on symboli, joka osoittaa elementin suorittaman toiminnon.
Aloitamme loogisten elementtien tarkastelun JA-elementillä.
Kuva 1. JA portti
Sen graafinen symboli on esitetty kuvassa 1a. JA-funktion symboli on englanninkielinen symboli "&", joka englannin kielessä korvaa konjunktion "ja", loppujen lopuksi kaikki tämä "pseudotiede" on keksitty kirottussa porvaristossa.
Elementin syötteet on merkitty X:llä indekseillä 1 ja 2, ja lähtöfunktiona lähtöfunktio on merkitty kirjaimella Y. Yksinkertaista, kuten esimerkiksi koulumatematiikassa, Y = K*X tai yleensä , Y = f(x) . Elementillä voi olla enemmän kuin kaksi tuloa, jota rajoittaa vain ratkaistavan ongelman monimutkaisuus, mutta lähtöjä voi olla vain yksi.
Elementin toiminnan logiikka on seuraava: lähdössä Y on korkea jännite vain, kun AND tulossa X1 JA tulossa X2 on korkea jännite. Jos elementillä on 4 tai 8 tuloa, määritellyn ehdon (korkean tason läsnäolo) on täytyttävä kaikissa tuloissa: AND tulossa 1, AND sisääntulossa 2, AND sisääntulossa 3… JA sisääntulossa N. Vain tässä tapauksessa teho on myös korkea.
AND-elementin toiminnan logiikan ymmärtämisen helpottamiseksi kuvassa 1b on esitetty sen analogi kontaktikaavion muodossa. Tässä elementin Y ulostuloa edustaa lamppu HL1. Jos lamppu syttyy, tämä vastaa korkeaa tasoa AND-elementin lähdössä.Tällaisia elementtejä kutsutaan usein 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. Ensimmäinen numero ilmaisee tulojen määrän.
Tulosignaaleina X1 ja X2 käytetään tavallisia ”kello”-painikkeita ilman kiinnitystä. Painikkeiden avoin tila on matalan tason tila ja suljettu tila on luonnollisesti korkea. Kaaviossa näkyy galvaaninen akku virtalähteenä. Kun painikkeet ovat auki, lamppu ei tietenkään syty. Lamppu syttyy vain, kun molempia painikkeita painetaan kerralla, ts. I-SB1, I-SB2. Tämä on AND-elementin tulo- ja lähtösignaalien välinen looginen yhteys.
Visuaalinen esitys AND-elementin toiminnasta saadaan katsomalla kuvan 1c ajoituskaaviota. Ensin korkean tason signaali ilmestyy X1-tuloon, mutta mitään ei tapahtunut Y-lähdössä, edelleen on matala signaali. Tulossa X2 signaali ilmestyy jonkin verran viiveellä ensimmäiseen tuloon verrattuna ja korkean tason signaali näkyy ulostulossa Y.
Kun tulo X1 laskee alhaiseksi, myös lähtö laskee. Tai toisin sanoen, lähtö pidetään korkeana niin kauan kuin molemmat tulot ovat korkealla. Sama voidaan sanoa useammista monituloisista JA-elementeistä: jos se on 8-I, niin korkean tason saavuttamiseksi lähdössä on korkea taso ylläpidettävä kaikilla kahdeksalla sisääntulolla kerralla.
Useimmiten viitekirjallisuudessa loogisten elementtien lähtötila tulosignaaleista riippuen esitetään totuustaulukoiden muodossa. Tarkastelun elementin 2-I osalta totuustaulukko on esitetty kuvassa 1d.
Taulukko on hieman samanlainen kuin kertotaulukko, vain pienempi. Jos tutkit sitä huolellisesti, huomaat, että lähtötaso on korkea vain silloin, kun molemmissa tuloissa on korkea jännite tai, mikä on sama asia, looginen. Muuten, totuustaulukon vertailu kertotauluun ei ole kaukana vahingossa: elektroniikkainsinöörit tietävät kaikki totuustaulukot, kuten sanotaan, ulkoa.
Myös AND-funktiota voidaan kuvata käyttämällä . Kahden syötteen elementille kaava näyttää tältä: Y = X1*X2 tai muu kirjoitusmuoto Y = X1^X2.
Katsomme seuraavaksi TAI-porttia.
Kuva 2. TAI-portti
Sen graafinen merkintä on samanlainen kuin juuri käsitellyssä JA-elementissä, paitsi että AND-funktiota ilmaisevan &-merkin sijaan numero 1 on kirjoitettu suorakulmion sisään, kuten kuvassa 2a. Tässä tapauksessa se tarkoittaa OR-toimintoa. Vasemmalla ovat tulot X1 ja X2, joita, kuten JA-funktion tapauksessa, voi olla enemmän, ja oikealla on lähtö, jota merkitään kirjaimella Y.
Boolen algebrakaavan muodossa OR-funktio kirjoitetaan muodossa Y = X1 + X2.
Tämän kaavan mukaan Y on tosi, kun TAI tulossa X1, TAI tulossa X2, TAI molemmissa tuloissa on korkea taso kerralla.
Kuvassa 2b esitetty kosketuskaavio auttaa ymmärtämään juuri sanotun: jommankumman painikkeen painaminen (korkea taso) tai molempien painikkeiden painaminen kerralla saa lampun syttymään (korkea taso). Tässä tapauksessa painikkeet ovat tulosignaaleja X1 ja X2 ja hehkulamppu on lähtösignaali Y. Jotta tämä olisi helpompi muistaa, kuvissa 2c ja 2d on esitetty ajoituskaavio ja vastaavasti totuustaulukko: vain analysoidaan esitetty kosketuspiiri kaavion ja taulukon kanssa, kuten kaikki kysymykset katoavat.
EI portti, invertteri
Kuten eräs opettaja sanoi, digitaalitekniikassa ei ole mitään monimutkaisempaa kuin invertteri. Ehkä tämä on oikeasti totta.
Logiikkaalgebrassa operaatiota NOT kutsutaan inversioksi, joka englannista käännettynä tarkoittaa negaatiota, eli lähtösignaalin taso täsmälleen päinvastainen vastaa tulosignaalia, joka kaavan muodossa näyttää Y = /X
(X:n edessä oleva kauttaviiva tarkoittaa todellista käänteistä. Yleensä kauttaviivan sijaan käytetään alaviivaa, vaikka tällainen merkintä on varsin hyväksyttävä.)
Elementin symbolinen graafinen merkintä EI OLE neliö tai suorakulmio, jonka sisään on kirjoitettu numero 1.
Kuva 3. Invertteri
Tässä tapauksessa se tarkoittaa, että tämä elementti on invertteri. Siinä on vain yksi tulo X ja lähtö Y. Lähtörivi alkaa pienellä ympyrällä, mikä itse asiassa osoittaa, että tämä elementti on invertteri.
Kuten juuri sanoin, invertteri on digitaalitekniikan monimutkaisin piiri. Ja tämän vahvistaa sen kosketuskaavio: jos aiemmin pelkät painikkeet riittivät, nyt niihin on lisätty rele. Kun SB1-painiketta ei paineta (looginen nolla tulossa), rele K1 on jännitteettömänä ja sen normaalisti suljetut koskettimet syttyvät HL1-lamppu, joka vastaa loogista lamppua lähdössä.
Jos painat painiketta (syötä sisääntuloon looginen), rele kytkeytyy päälle, koskettimet K1.1 avautuvat, valo sammuu, mikä vastaa loogista nollaa lähdössä. Tämän vahvistaa kuvan 3c ajoituskaavio ja kuvan 3d totuustaulukko.
Looginen elementti AND-NOT ei ole muuta kuin AND-loogisen elementin ja EI-elementin yhdistelmä.
Kuva 4. NAND-portti
Siksi sen tavanomaisessa graafisessa merkinnässä on merkki & (looginen AND), ja lähtörivi alkaa ympyrällä, mikä osoittaa invertterin läsnäolon elementissä.
Loogisen elementin kosketinanalogi on esitetty kuvassa 4b, ja tarkkaan katsottuna se on hyvin samanlainen kuin kuvan 3b invertterin analogi: hehkulamppu sytytetään myös releen K1 normaalisti suljettujen koskettimien kautta. . Itse asiassa tämä on invertteri. Relettä ohjataan painikkeilla SB1 ja SB2, jotka vastaavat NAND-portin tuloja X1 ja X2. Kaavio osoittaa, että rele kytkeytyy päälle vain, kun molempia painikkeita painetaan: tässä tapauksessa painikkeet suorittavat &-toiminnon (looginen AND). Tässä tapauksessa lähtövalo sammuu, mikä vastaa loogista nollatilaa.
Jos molempia painikkeita tai ainakin yhtä niistä ei paineta, rele sammuu ja piirin lähdön valo palaa, mikä vastaa loogista yksi taso.
Kaiken sanotun perusteella voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset:
Ensinnäkin, jos ainakin yhdellä syötteellä on looginen nolla, ulostulo on looginen. Sama tila lähdössä on siinä tapauksessa, että molemmissa tuloissa on samanaikaisesti nollia. Tämä on erittäin arvokas NAND-elementtien ominaisuus: jos yhdistät molemmat tulot, NAND-elementistä tulee invertteri - se yksinkertaisesti suorittaa EI-toiminnon. Tämän ominaisuuden avulla voit välttää kuuden invertterin sisältävän erityisen mikropiirin asentamisen kerralla, kun tarvitaan vain yksi tai kaksi.
Toiseksi, nolla lähdössä voidaan saada vain, jos "keräät" ykkösiä kaikista tuloista. Tässä tapauksessa olisi asianmukaista kutsua kyseistä loogista elementtiä 2AND-NOT. Kaksi osoittaa, että tällä elementillä on kaksi tuloa. Lähes kaikissa mikropiirisarjoissa on myös 3, 4 ja kahdeksan tuloelementtiä. Lisäksi jokaisella niistä on vain yksi uloskäynti. Monien digitaalisten mikropiirien sarjojen peruselementiksi katsotaan kuitenkin 2I-NOT-elementti.
Eri tulojen kytkentävaihtoehdoilla saat toisen upean kiinteistön. Esimerkiksi yhdistämällä kahdeksan sisääntulon 8I-NOT-elementin kolme tuloa saadaan 6I-NOT-elementti. Ja jos yhdistät kaikki 8 tuloa yhteen, saat vain invertterin, kuten juuri edellä mainittiin.
Tämä päättää johdannon loogisiin elementteihin. Artikkelin seuraavassa osassa tarkastellaan yksinkertaisia kokeita mikropiireillä, mikropiirien sisäistä rakennetta ja yksinkertaisia laitteita, kuten pulssigeneraattoreita.
Boris Aladyshkin
Ehdottomasti kaikki digitaaliset mikropiirit koostuvat samoista loogisista elementeistä - minkä tahansa digitaalisen solmun "rakennuspalikoista". Siitä me nyt puhumme.
Looginen elementti- Tämä on piiri, jossa on useita tuloja ja yksi lähtö. Jokainen tulojen signaalien tila vastaa tiettyä signaalia lähdössä.
Mitkä ovat elementit?
Elementti "AND"
Muuten sitä kutsutaan "konjunktoriksi".
Ymmärtääksesi, miten se toimii, sinun on piirrettävä taulukko, jossa luetellaan lähtötilat mille tahansa tulosignaaliyhdistelmälle. Tätä taulukkoa kutsutaan " totuustaulukko" Totuustaulukoita käytetään laajasti digitaalitekniikassa kuvaamaan logiikkapiirien toimintaa.
Tältä "AND"-elementti ja sen totuustaulukko näyttävät:
Koska joudut kommunikoimaan sekä venäläisen että porvarillisen tekniikan kanssa. dokumentaatiossa toimitan elementeille symboliset graafiset symbolit (GID) sekä meidän että muiden standardiemme mukaisesti.
Katsomme totuustaulukkoa ja selvennämme periaatetta aivoissamme. Sitä ei ole vaikea ymmärtää: "AND"-elementin lähdössä oleva yksikkö esiintyy vain, kun yksiköt syötetään molempiin tuloihin. Tämä selittää elementin nimen: yksiköiden on oltava SEKÄ toisessa ja toisessa syötteessä.
Jos katsomme asiaa hieman eri tavalla, voimme sanoa tämän: "AND"-elementin lähtö on nolla, jos nollaa sovelletaan ainakin yhteen sen tuloista. Muistetaan. Mene eteenpäin.
OR-elementti
Toisella tavalla häntä kutsutaan "disjunktoriksi".
Ihailemme:
Jälleen nimi puhuu puolestaan.
Yksikkö näkyy lähdössä, kun yksikköä käytetään yhteen TAI toiseen TAI molempiin tuloihin kerralla. Tätä elementtiä voidaan kutsua myös negatiivisen logiikan "AND"-elementiksi: sen lähdössä esiintyy nolla vain, jos nollia syötetään sekä yhteen että toiseen tuloon.
HUOMAA elementti
Useammin sitä kutsutaan "invertteriksi".
Pitääkö minun sanoa mitään hänen työstään?
NAND-elementti
NAND-portti toimii täsmälleen samalla tavalla kuin JA-portti, vain lähtösignaali on täysin päinvastainen. Jos "AND"-elementillä pitäisi olla "0"-lähtö, "AND-NOT"-elementillä pitäisi olla yksi. Ja päinvastoin. Tämä on helppo ymmärtää elementin vastaavasta piiristä:
Elementti "NOR" (NOR)
Sama tarina - "OR"-elementti, jonka lähdössä on invertteri.
Seuraava toveri on hieman ovelampi:
Yksinomainen OR-elementti (XOR)
Hän on tällainen:
Sen suorittamaa toimintoa kutsutaan usein "addition modulo 2". Itse asiassa digitaaliset summaimet on rakennettu näiden elementtien varaan.
Katsotaanpa totuustaulukkoa. Milloin on lähtöyksikkö? Oikein: kun tuloilla on eri signaalit. Toisella - 1, toisella - 0. Niin ovela hän on.
Vastaava piiri on jotain tällaista:
Sitä ei tarvitse muistaa.
Itse asiassa nämä ovat tärkeimmät loogiset elementit. Ehdottomasti kaikki digitaaliset mikropiirit rakennetaan niiden pohjalta. Jopa suosikki Pentium 4.
Ja lopuksi useita mikropiirejä, jotka sisältävät digitaalisia elementtejä. Mikropiirin vastaavien jalkojen numerot on merkitty elementtien napojen lähelle. Kaikilla tässä luetelluilla siruilla on 14 jalkaa. Virta syötetään jaloille 7 (-) ja 14 (+). Syöttöjännite – katso edellisen kappaleen taulukko.
Loogiset elementit muodostavat digitaalisten (diskreettien) tietojenkäsittelylaitteiden ja digitaalisten automaatiolaitteiden perustan.
Logiikkaelementit suorittavat yksinkertaisimpia loogisia operaatioita digitaaliselle tiedolle. Looginen operaatio muuntaa syötetiedot lähtötiedoiksi tiettyjen sääntöjen mukaisesti. Logiikkaelementit rakennetaan useimmiten avaintilassa toimivien elektronisten laitteiden pohjalta. Siksi digitaalinen informaatio esitetään yleensä binäärimuodossa, jossa signaaleilla on vain kaksi arvoa: "0" (looginen nolla) ja "1" (looginen yksi), jotka vastaavat avaimen kahta tilaa. Looginen nolla vastaa pientä jännitetasoa elementin tulossa tai lähdössä (esim. U 0 =0...0,4V) ja looginen nolla korkeaa jännitetasoa (esim. U 1 =3 ...5V).
Tärkeimmät loogiset elementit ovat OR-, AND-, NOT-, OR-NOT, AND-NOT-elementit. Näiden peruselementtien pohjalta rakennetaan monimutkaisempia: varvastossut, laskurit, rekisterit, summaimet.
Loogisessa TAI-elementissä (Kuva 4.1, a) on yksi lähtö ja useita tuloja (useimmiten 2 - 4 tuloa) ja se toteuttaa loogisen yhteen- tai disjunktiotoiminnon. Kahden riippumattoman muuttujan tapauksessa se merkitään Y = X 1 ÚX 2 tai Y = X 1 + X 2 (lue X 1 tai X 2) ja määräytyy totuustaulukosta (taulukko 4.1.). TAI-toiminto voidaan suorittaa kolmelle tai useammalle itsenäiselle argumentille. Funktio Y = 1, jos ainakin yksi riippumattomista muuttujista Xi on yhtä suuri kuin yksi.
Looginen elementti JA (kuva 4.1, b) toteuttaa loogisen kertolasku- tai konjunktiofunktion. Sitä merkitään Y = X 1 ÙX 2 tai Y = X 1 X 2 (lue X 1 ja X 2) ja se määräytyy totuustaulukon avulla (taulukko 4.2). Looginen kertolasku voidaan laajentaa kolmeen tai useampaan itsenäiseen argumenttiin. Funktio Y on yhtä suuri kuin yksi vain, kun kaikki riippumattomat muuttujat Xi ovat yhtä suuria kuin yksi.
Looginen portti EI toteuta loogista negaatio- tai inversiotoimintoa. Funktion X loogista negaatiota merkitään `X:llä (sanotaan "ei X") ja se määräytyy totuustaulukolla (taulukko 4.3).
Looginen elementti OR-NOT toteuttaa loogisen funktion Y = ja sen määrittää totuustaulukko (taulukko 4.4.).
Looginen elementti JA-EI toteuttaa loogisen funktion Y = ja sen määrittää totuustaulukko (taulukko 4.5.).
Kuva 4.1 – Symboliset graafiset kuvat loogisista elementeistä TAI (a), JA (b), EI (c), TAI-EI (d), JA-EI (d)
Taulukko 4.1 – Totuustaulukko Taulukko 4.2 – AND-elementin OR-elementin totuustaulukko
| X 1 | X 2 | Y = X 1 + X 2 | X 1 | X 2 | Y = X 1 X 2 | ||
Taulukko 4.3 – Totuustaulukko Taulukko 4.4 – Totuustaulukko
elementti EI elementti TAI - EI
Käytetään myös elementtejä, jotka toteuttavat loogiset toiminnot BAN ja exclusive OR.
BAN-logiikkaelementillä on yleensä kaksi sisääntuloa (kuva 4.2, a): sallii X 1 ja estää X 2:n. Lähtösignaali toistaa signaalin aktivointitulossa X 1, jos X 2 =0. Kun X 2 =1, ulostulossa näkyy 0-signaali riippumatta X 1:n arvosta. Eli tämä elementti toteuttaa loogisen funktion Y = X 1. Looginen elementti "exclusive OR" (epäekvivalenssi) (kuva 4.2, b) toteuttaa loogisen funktion ja sen määrittää totuustaulukko (taulukko 4.6).
Kuva 4.2 – Symboliset graafiset kuvat loogisista elementeistä BAN (a), yksinomainen TAI (b)
Taulukko 4.6 - "Exclusive OR" -elementin totuustaulukko
| X 1 | X 2 | Y |
Digitaaliset integroidut piirit tarjoavat erittäin pienitehoisia lähtösignaaleja. Esimerkiksi sarjan K155, K555, KR1533 mikropiirit tarjoavat 0,4 mA:n lähtövirran loogisessa yksitilassa. Siksi logiikkalohkon lähdöissä käytetään yleensä avoimen kollektorin mikropiirejä. Tällaisissa mikropiireissä kollektoripiiriin kuuluva vastus siirretään mikropiirin ulkopuolelle (kuva 4.3, A).
Kuva 4.3 – Kuorman liittäminen avoimen kollektorin mikropiirin lähtöön
Jos DD1-mikropiirin lähtö on loogisessa tilassa (U OUT = 1), eli sen lähtötransistori on katkaisutilassa, niin I K » 0. Kun "Log.0" on DD1:n lähdössä (U OUT = 0), eli sen lähtötransistori on kyllästymistilassa I K » U P / R K. Avokollektoristen mikropiirien suurin sallittu lähtövirta voi olla huomattavasti suurempi kuin perinteisten mikropiirien.
Esimerkiksi mikropiireissä, joissa on avoin kollektori K155LL2, K155LI5, K155LA18, suurin ulostulovirta voi olla 300 mA ja suurin lähtöjännite "Log.1"-tilassa voi olla 30 V, mikä mahdollistaa kuorman kytkemisen 9W asti.
Jos kuorma, esimerkiksi releen tai pneumaattisen jakajan käämi, on suunniteltu jännitteelle ja virralle, joka ei ylitä tietylle mikropiirille sallittuja, niin se voidaan kytkeä suoraan mikropiirin lähtöön (kuva 4.3, b). Tässä tapauksessa rele K1 aktivoituu, jos DD2:n lähdössä on “Log.0”, ja se sammuu, kun “Log.1” on DD2:n lähdössä. Käänteiseen suuntaan kytketty diodi VD1 suojaa mikropiiriä ylijännitteeltä, joka syntyy, kun relekäämi kytketään pois päältä siihen kertyneen sähkömagneettisen energian vuoksi.
Korkean käyttöjännitteen ja -virran kuorman ohjaamiseksi voit käyttää piiriä, jossa tehopiiriä kytkee ylimääräinen transistor VT1, joka on kytketty mikropiirin lähtöön avoimella kollektorilla DD1 ja toimii avaintilassa (kuva 1). 4.4).
Kuva 4.4 – Kuorman kytkeminen transistorikytkimen kautta
"Log.0":ssa DD1:n lähdössä transistori VT1 on kiinni ja rele K1 on kytketty pois päältä. "Log.1" DD1:n lähdössä transistori avautuu (siirtyy saturaatiotilaan). Kyllästystilassa transistorin läpi kulkeva virta määräytyy syöttöjännitteen U 1 ja relekäämin R K1 resistanssin perusteella, koska jännitehäviö transistorin yli kyllästystilassa U KN » 0:
Syöttöjännite U 1 on valittava yhtä suureksi kuin kuorman käyttöjännite (tässä tapauksessa rele K1) ja transistori VT1 on valittava siten, että sallittu kollektorijännite on suurempi kuin U 1 ja sallittu kollektorivirta suurempi kuin I K1 .
Transistorin kylläisyystila saavutetaan, kun
Transistorin luotettavaa kyllästystä varten on välttämätöntä, että ehto täyttyy staattisen virran vahvistuksen minimiarvolla h 21E = h 21E min tietyn tyyppiselle transistorille.
Tässä tapauksessa edellytyksen on täytyttävä
U P/R 1 ³I BN g = gI KN / h 21Emin
jossa g on kyllästymisaste (g = 1,2…2).
Diodi VD1 suojaa transistoria kytkentäylijännitteiltä. Diodi VD2 tarjoaa bias-jännitteen, joka tarvitaan transistorin sammuttamiseen "Log.0":ssa DD1:n lähdössä. Bias-jännite syötetään kantaan vastuksen R2 kautta.
Jos kuormalla on merkittävä induktanssi, se shuntoidaan vastakkaiseen suuntaan kytketyllä diodilla (katso kuva 4.3, b, kuva 4.4).
Avokollektorisia logiikkasiruja käytetään myös teknisten (esimerkiksi hitsaus) laitteiden ohjaamiseen. Nykyaikaisten hitsauslaitteiden ohjausyksiköt (esimerkiksi BUSP-sarjan puoliautomaattisten hitsauskoneiden ohjausyksiköt, RKS-sarjan vastushitsausjakson ohjausyksiköt) tarjoavat kytkentäohjauksen suoraan käyttämällä avoimen kollektorin mikropiiriä, joka on kytketty tiettyyn tuloon. ohjausyksikköön (kuva 4.5).
Kuva 4.5 – Prosessilaitteiden ohjauspiiri avoimen kollektorin logiikkasirun avulla
