Un circuit electric conceput pentru a efectua o operațiune logică asupra datelor de intrare se numește element logic. Datele de intrare sunt reprezentate aici sub formă de tensiuni de diferite niveluri, iar rezultatul operației logice la ieșire se obține și sub forma unei tensiuni de un anumit nivel.
În acest caz, operanzii sunt furnizați - semnalele sub forma unei tensiuni de nivel înalt sau scăzut sunt recepționate la intrarea elementului logic, care servesc în esență ca date de intrare. Astfel, o tensiune de nivel înalt - un 1 logic - indică o valoare adevărată a operandului, iar o tensiune de nivel scăzut 0 - o valoare falsă. 1 - ADEVĂRAT, 0 - FALS.
Element logic- un element care implementează anumite relații logice între semnalele de intrare și de ieșire. Elementele logice sunt de obicei folosite pentru a construi circuite logice ale computerelor și circuite automate discrete de monitorizare și control. Toate tipurile de elemente logice, indiferent de natura lor fizică, sunt caracterizate de valori discrete ale semnalelor de intrare și de ieșire.
Elementele logice au una sau mai multe intrări și una sau două ieșiri (de obicei inverse una față de cealaltă). Valorile „zerourilor” și „unulor” ale semnalelor de ieșire ale elementelor logice sunt determinate de funcția logică pe care o îndeplinește elementul și de valorile „zerourilor” și „unui” ale semnalelor de intrare, care sunt redate. rolul variabilelor independente. Există funcții logice elementare din care poate fi compusă orice funcție logică complexă.
În funcție de proiectarea circuitului elementului, de parametrii săi electrici, nivelurile logice (niveluri de tensiune înaltă și joasă) ale intrării și ieșirii au aceleași valori pentru stările înalte și scăzute (adevărat și fals).
În mod tradițional, elementele logice sunt produse sub formă de componente radio speciale - circuite integrate. Operațiile logice precum conjuncția, disjuncția, negația și adăugarea modulo (ȘI, SAU, NU, XOR) sunt operațiile de bază efectuate pe principalele tipuri de porți logice. În continuare, să ne uităm mai atent la fiecare dintre aceste tipuri de elemente logice.
Element logic „ȘI” - conjuncție, înmulțire logică, ȘI
„ȘI” este un element logic care efectuează o operație de conjuncție sau de multiplicare logică asupra datelor de intrare. Acest element poate avea de la 2 la 8 (cele mai comune în producție sunt elementele „ȘI” cu 2, 3, 4 și 8 intrări) intrări și o ieșire.
Simbolurile elementelor logice „ȘI” cu numere diferite de intrări sunt prezentate în figură. În text, un element logic „ȘI” cu un anumit număr de intrări este desemnat ca „2I”, „4I”, etc. - un element „ȘI” cu două intrări, cu patru intrări etc.
Tabelul de adevăr pentru elementul 2I arată că ieșirea elementului va fi una logică numai dacă cele logice sunt simultan la prima intrare ȘI la a doua intrare. În celelalte trei cazuri posibile, rezultatul va fi zero.
În diagramele occidentale, pictograma elementului I are o linie dreaptă la intrare și o linie rotunjită la ieșire. Pe diagramele interne - un dreptunghi cu simbolul „&”.
Element logic „SAU” - disjuncție, adunare logică, SAU
„SAU” este un element logic care efectuează o operație de disjuncție sau de adăugare logică asupra datelor de intrare. El, ca și elementul „I”, este disponibil cu două, trei, patru, etc. intrări și o ieșire. Simbolurile elementelor logice „SAU” cu numere diferite de intrări sunt prezentate în figură. Aceste elemente sunt desemnate după cum urmează: 2OR, 3OR, 4OR etc.
Tabelul de adevăr pentru elementul „2OR” arată că pentru ca unul logic să apară la ieșire, este suficient ca cel logic să fie la prima intrare SAU la a doua intrare. Dacă există cele logice la două intrări simultan, ieșirea va fi, de asemenea, una.
În diagramele occidentale, pictograma elementului „SAU” are o intrare rotunjită și o ieșire rotunjită, ascuțită. Pe diagramele interne există un dreptunghi cu simbolul „1”.
Element logic „NU” - negație, invertor, NU
„NU” este un element logic care efectuează o operație de negație logică asupra datelor de intrare. Acest element, care are o singură ieșire și o singură intrare, se mai numește și invertor, deoarece de fapt inversează (inversează) semnalul de intrare. Figura prezintă simbolul pentru elementul logic „NU”.
Tabelul de adevăr pentru un invertor arată că un potențial de intrare ridicat produce un potențial de ieșire scăzut și invers.
În diagramele occidentale, pictograma elementului „NU” are forma unui triunghi cu un cerc la ieșire. Pe diagramele interne există un dreptunghi cu simbolul „1”, cu un cerc la ieșire.
Element logic „NAND” - conjuncție (înmulțire logică) cu negație, NAND
„ȘI-NU” este un element logic care efectuează o operație de adăugare logică asupra datelor de intrare, iar apoi o operație de negație logică, rezultatul este trimis la ieșire. Cu alte cuvinte, este practic un element „ȘI”, completat de un element „NU”. Figura prezintă simbolul pentru elementul logic „2ȘI-NU”.
Tabelul de adevăr pentru poarta NAND este opusul tabelului de adevăr pentru poarta AND. În loc de trei zerouri și unul, sunt trei unu și un zero. Elementul NAND este numit și „elementul Schaeffer” în onoarea matematicianului Henry Maurice Schaeffer, care a remarcat pentru prima dată semnificația lui în 1913. Notat ca „I”, doar cu un cerc la ieșire.
Element logic „OR-NOT” - disjuncție (adunare logică) cu negație, NOR
„SAU-NU” este un element logic care efectuează o operație de adăugare logică asupra datelor de intrare, iar apoi o operație de negație logică, rezultatul este trimis la ieșire. Cu alte cuvinte, acesta este un element „SAU” completat de un element „NU” - un invertor. Figura prezintă simbolul pentru elementul logic „2SAU-NU”.
Tabelul de adevăr pentru o poartă SAU este opusul tabelului de adevăr pentru o poartă SAU. Un potențial de ieșire ridicat este obținut doar într-un caz - potențialele scăzute sunt aplicate simultan ambelor intrări. Este desemnat ca „SAU”, doar cu un cerc la ieșire care indică inversarea.
Poarta logică "SAU exclusivă" - adăugare modulo 2, XOR
„SAU exclusiv” este un element logic care efectuează o operație de adăugare logică modulo 2 asupra datelor de intrare, are două intrări și o ieșire. Adesea aceste elemente sunt utilizate în circuitele de control. Figura prezintă simbolul pentru acest element.
Imaginea în circuitele vestice este ca „SAU” cu o bandă curbată suplimentară pe partea de intrare, în cele domestice este ca „SAU”, doar că în loc de „1” se va scrie „=1”.
Acest element logic este numit și „neechivalență”. Un nivel de tensiune ridicat va fi la ieșire numai atunci când semnalele de la intrare nu sunt egale (unul este unul, celălalt este zero sau unul este zero, iar celălalt este unul), chiar dacă sunt două la intrare în același timp, ieșirea va fi zero - aceasta este diferența față de „SAU”. Aceste elemente logice sunt utilizate pe scară largă în sumatori.
ELEMENTE LOGICE
Informații generale.
S-a remarcat mai sus că funcțiile logice și argumentele lor iau valoarea log.0 și log.1. Trebuie avut în vedere că în dispozitivele log.0 și log.1 corespund unei tensiuni de un anumit nivel (sau formă). Cele mai frecvent utilizate sunt două metode de reprezentare fizică a log.0 și log.1: potențial și impuls.
În forma potențială (Fig. 2.1, a și 2.1, b), o tensiune de două nivele este utilizată pentru a reprezenta log.0 și log.1: nivelul înalt corespunde log.1 ( jurnal de nivel.1) iar nivelul scăzut corespunde log.0 ( jurnal de nivel.0). Acest mod de reprezentare a valorilor mărimilor logice se numește logică pozitivă. Este relativ rar să se folosească așa-numita logică negativă, în care log.1 este setat la un nivel de tensiune scăzut, iar log.0 la un nivel ridicat. În cele ce urmează, dacă nu se specifică altfel, vom folosi doar logica pozitivă.
Cu o formă de impuls, log.1 corespunde prezenței unui impuls, iar logica 0 corespunde absenței unui impuls (Fig. 2.1, c).
Rețineți că dacă într-o formă potențială informațiile corespunzătoare semnalului (log.1 sau log.0) pot fi determinate aproape în orice moment, atunci într-o formă în impulsuri se stabilește corespondența dintre nivelul de tensiune și valoarea valorii logice. la anumite momente discrete de timp (așa-numitele momente de ceas), indicate în Fig. 2.1, în numere întregi t = 0, 1, 2,...
Denumirile generale ale elementelor logice.
Porți logice bazate pe AND, SAU, NU pe componente discrete.
element diodă SAU (ansamblu)
O poartă SAU bazată pe diode are două sau mai multe intrări și o ieșire. Elementul poate funcționa atât cu reprezentarea potențială cât și prin impuls a mărimilor logice.
În fig. Figura 2.2a prezintă o diagramă a unui element de diodă pentru lucrul cu potențiale și impulsuri de polaritate pozitivă. Când se utilizează logica negativă și potențiale negative, sau impulsuri de polaritate negativă, este necesar să se schimbe polaritatea diodelor, așa cum se arată în Figura 2.2,b.
Să luăm în considerare funcționarea circuitului din fig. 2.2,a. Dacă un impuls (sau potențial ridicat) acționează doar pe o singură intrare, atunci dioda conectată la această intrare se deschide și impulsul (sau potențial ridicat) este transmis prin dioda deschisă la rezistorul R. În acest caz, o tensiune a polarității la pe care diodele din circuite se formează pe rezistorul R intrarile rămase sunt supuse tensiunii de blocare.
orez. 2.2.
Dacă semnalele corespunzătoare logicii 1 sunt recepționate simultan la mai multe intrări, atunci dacă nivelurile acestor semnale sunt strict egale, toate diodele conectate la aceste intrări se vor deschide.
Dacă rezistența diodei deschise este mică în comparație cu rezistența rezistorului R, nivelul tensiunii de ieșire va fi aproape de nivelul semnalului de intrare, indiferent de câte intrări este activ simultan semnalul logic 1.
Rețineți că, dacă nivelurile semnalelor de intrare diferă, atunci se deschide doar dioda de la intrare al cărei nivel de semnal este cel mai ridicat. La rezistorul R este generată o tensiune care este aproape de cea mai mare dintre tensiunile care acționează la intrări. Toate celelalte diode se închid, deconectând sursele cu niveluri scăzute de semnal de la ieșire.
Astfel, un semnal corespunzător logicii 1 este generat la ieșirea elementului dacă logica 1 este activă la cel puțin una dintre intrări. Prin urmare, elementul implementează operația de disjuncție (operația OR).
Să luăm în considerare factorii care influențează forma impulsului de ieșire. Fie ca elementul să aibă n intrări și una dintre ele este alimentată cu un impuls de tensiune dreptunghiular de la o sursă cu rezistență de ieșire Rout. Dioda conectată la această intrare este deschisă și reprezintă o rezistență scăzută. Diodele separate sunt închise, capacitățile C ale joncțiunilor lor p-n prin rezistențele de ieșire ale surselor conectate la intrări se dovedesc a fi conectate în paralel cu ieșirea elementului. Împreună cu capacitatea de sarcină și instalație C n se formează o capacitate echivalentă C eq = C d + (n-1) C d, conectată în paralel R (Fig. 2.3, a).
In momentul in care se aplica un impuls la intrare, datorita capacitatii Cec, tensiunea de iesire nu poate creste brusc; crește exponențial cu constanta de timp
(din moment ce R a ieșit< R), стремясь к значению U вх R/(R + R вых).
orez. 2.3.
În momentul în care impulsul de intrare se termină, tensiunea pe condensatorul încărcat C eq nu poate scădea brusc; scade exponențial cu o constantă de timp (în acest moment toate diodele sunt închise); deoarece durata de tăiere a impulsului de ieșire este mai mare decât durata frontului său (Fig. 2.3, b). Aplicarea următorului impuls la intrarea elementului este permisă numai după ce tensiunea reziduală la ieșire din acțiunea impulsului anterior scade la o anumită valoare mică. Prin urmare, o scădere lentă a tensiunii de ieșire necesită o creștere a intervalului de ceas și, prin urmare, provoacă o scădere a performanței.
element de diodă și (circuit de potrivire)
O poartă AND are o ieșire și două sau mai multe intrări. Elementul diodă AND poate funcționa cu informații prezentate atât sub formă de potențial, cât și sub formă de impuls.
Figura 2.4a prezintă circuitul utilizat pentru tensiunile de intrare pozitive. Când se utilizează logica negativă și tensiuni de intrare negative, sau impulsuri de polaritate negativă, este necesar să se schimbe polaritatea tensiunii de alimentare și polaritatea diodelor (Fig. 2.4b).
orez. 2.4.
Fie ca una dintre intrările circuitului din fig. 2.4a să aibă un nivel de tensiune scăzut corespunzător nivelului log.0. Curentul va fi închis în circuitul de la sursa E prin rezistorul R, o diodă deschisă și o sursă de tensiune joasă de intrare. Deoarece rezistența unei diode deschise este scăzută, un potențial scăzut de la intrare va fi transmis prin dioda deschisă la ieșire. Diodele conectate la intrările rămase, care sunt expuse la un nivel de tensiune ridicat, se dovedesc a fi închise. Tensiunea care acționează asupra diodei poate fi determinată prin însumarea tensiunilor la ocolirea circuitului extern diodei de la anodul acesteia la catod. Cu acest bypass, tensiunea de pe diodă este egală cu U d = U out - U in. Astfel, tensiunea de ieșire aplicată anozilor diodelor este pozitivă pentru aceștia, având tendința de a deschide diodele; tensiunea de intrare aplicată catodului este negativă, având tendința de a închide dioda. Și dacă ieși< 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.
Astfel, dacă cel puțin una dintre intrări are o tensiune de nivel scăzut (log.0), atunci la ieșirea elementului este generată o tensiune de nivel scăzut (log.0).
Lăsați tensiunile de nivel înalt să funcționeze la toate intrările (log.1). Ele pot diferi ușor în sens. În acest caz, dioda care este conectată la intrarea cu o tensiune mai mică va fi deschisă. Această tensiune va fi transmisă prin diodă la ieșire. Diodele rămase vor fi practic închise. Tensiunea de ieșire va fi setată la un nivel ridicat (log.1).
În consecință, o tensiune de nivel logic 1 este setată la ieșirea elementului dacă și numai dacă o tensiune de nivel logic 1 funcționează la toate intrările. Astfel, ne asigurăm că elementul efectuează operația logică AND.
Să luăm în considerare forma impulsului de ieșire (Fig. 2.5).
Vom presupune că un element capacitiv echivalent C eq este conectat la ieșire, a cărui capacitate include capacitățile sarcinii, instalației și diodelor închise. În momentul în care un impuls de tensiune este aplicat simultan la toate intrările, tensiunea la C eq (la ieșirea elementului) nu poate crește brusc. Toate diodele se dovedesc inițial a fi închise de tensiunile de intrare, care sunt negative pentru diode. Prin urmare, sursele de semnal de intrare vor fi deconectate de la C eq. Condensatorul C eq este încărcat de la sursa E prin rezistorul R. Tensiunea la condensator (și, prin urmare, la ieșirea elementului) crește exponențial cu o constantă de timp (Fig. 2.5b). În momentul în care uout depășește tensiunea minimă de intrare, dioda corespunzătoare se va deschide și creșterea uin se va opri. Curentul de la sursa E, închisă anterior prin C eq, este comutat în circuitul cu diode deschise.
orez. 2.5.
În momentul în care impulsurile de intrare se termină, toate diodele se deschid cu o tensiune pozitivă ieșită pentru ele. O descărcare relativ rapidă a C eq are loc prin diode deschise și rezistențe scăzute de ieșire ale surselor de semnal de intrare. Tensiunea de ieșire scade exponențial cu o constantă de timp mică.
O comparație a formelor impulsurilor de ieșire ale elementelor de diodă SAU și ȘI arată că în elementul SAU limitarea impulsului este mai extinsă, iar în elementul ȘI fața sa este mai extinsă.
element tranzistor NOT (invertor)
orez. 2.6.
Operația nu poate fi implementată de elementul cheie prezentat în Fig. 2.6,a. Trebuie reținut că acest element efectuează operația NOT doar pe potențiala formă de reprezentare a valorilor logice. Când nivelul semnalului de intrare este scăzut, corespunzător log.0, tranzistorul este închis și o tensiune de nivel înalt E (log1) este setată la ieșire. Și invers, la un nivel ridicat al tensiunii de intrare (nivel log.1), tranzistorul este saturat, iar la ieșire este setată o tensiune apropiată de zero (nivel log.0). Graficele tensiunilor de intrare și de ieșire sunt prezentate în Fig. 2.6, b.
Elemente logice integrale ale bazei ȘI-NU și parametrii acestora.
Elementele logice integrale sunt utilizate sub forma potențială de reprezentare a mărimilor logice.
Diagrama unui element integrat AND-NOT tip DTL este prezentată în Fig. 2.7. Un element poate fi împărțit în două părți funcționale conectate în serie. Cantitățile de intrare sunt furnizate părții care este o diodă ȘI poartă.A doua parte a elementului, realizată pe un tranzistor, este un invertor (care efectuează operația NOT). Astfel, elementul realizează secvențial operațiile logice ȘI și NU și, prin urmare, în ansamblu implementează operația logică ȘI-NU.
Dacă o tensiune de nivel înalt (log.1) operează la toate intrările elementului, atunci se generează o tensiune de nivel înalt la ieșirea primei părți a circuitului (în punctul A). Această tensiune este transmisă prin diodele VD la intrarea tranzistorului, care se află în modul de saturație, la ieșirea elementului tensiunea este scăzută (log.0).
orez. 2.7.
Dacă cel puțin una dintre intrări are o tensiune de nivel scăzut (log.0), atunci se formează o tensiune de nivel scăzut (aproape de zero) în punctul A, tranzistorul este închis și o tensiune de nivel înalt (log.1). ) este la ieșirea elementului. Funcționarea elementului de diodă ȘI în versiunea integrată diferă de funcționarea aceluiași element discutat mai sus pe componentele discrete prin aceea că, atunci când logica 1 este aplicată simultan la toate intrările, toate diodele se dovedesc a fi închise. Din acest motiv, consumul de curent de la sursa care furnizează tensiunea de intrare la log.1 se reduce la o valoare foarte mică.
Să aruncăm o privire mai atentă asupra funcționării părții invertorului a elementului. În primul rând, să notăm câteva caracteristici ale tranzistoarelor cu circuit integrat. Microcircuitele folosesc tranzistori de siliciu de tip n-p-n (în acest caz, tensiunea de alimentare a colectorului are o polaritate pozitivă, iar tranzistorul se deschide când există o tensiune pozitivă între bază și emițător). În fig. Figura 2.8 prezintă o dependență tipică a curentului colectorului de tensiunea dintre bază și emițător în modul activ. Particularitatea acestei caracteristici este că practic tranzistorul începe să se deschidă la valori relativ mari ale tensiunii de bază (depășind de obicei 0,6 V). Această caracteristică vă permite să faceți fără surse de polarizare de bază, deoarece chiar și la tensiuni pozitive la baza de zecimi de volt, tranzistorul se dovedește a fi practic închis. În cele din urmă, o altă caracteristică a tranzistorului cu microcircuit este că tensiunea dintre colector și emițător în modul de saturație este relativ mare (poate fi de 0,4 V sau mai mare).
orez. 2.8.
Semnalele către intrările unui element logic să fie furnizate de la ieșirile elementelor similare. Să luăm tensiunea log.1 egală cu 2,6 V, tensiunea log.0 egală cu 0,6 V, tensiunea pe diodele deschise și tensiunea bază-emițător a tranzistorului saturat egală cu 0,8 V.
Când se aplică o tensiune de 2,6 V (nivel log 1) tuturor intrărilor (vezi Fig. 2.7), diodele de la intrări se închid, curentul de la sursa E 1 prin rezistorul R 1, diodele VD trece în bază. a tranzistorului, setând tranzistorul în modul de saturație. La ieșirea elementului este generată o tensiune de nivel scăzut de 0,6 V (nivel log 0). Tensiunea U A este egală cu suma tensiunilor de pe diodele VD și tensiunea U BE: 3 0,8 = 2,4 V. Astfel, diodele de intrare sunt sub tensiune inversă de 0,2 V.
Dacă cel puțin una dintre intrări este alimentată cu o tensiune de nivel scăzut de 0,6 V (nivel log 0), atunci curentul de la sursa E1 este închis prin rezistența R1, o diodă de intrare deschisă și sursa semnalului de intrare. În acest caz, U A = 0,8 + 0,6 = 1,4 V. La această tensiune, tranzistorul se oprește din cauza polarizării furnizate de diodele VD (aceste diode se numesc diode de polarizare). Curentul de la sursa E 1, care circulă prin rezistorul R 1, diodele VD și rezistorul R 2, creează o cădere de tensiune pe diodele de polarizare apropiate de U A. Tensiunea U BE este pozitivă, dar semnificativ mai mică de 0,6 V, iar tranzistorul este închis.
AND-NOT element al logicii diodă-tranzistor (DTL)
Circuitul de bază al elementului prezentat în Fig. 2.9, ca și circuitul elementului DTL discutat mai sus, este format din două părți funcționale conectate în serie: un circuit care efectuează funcționarea AND și un circuit invertor. O trăsătură distinctivă a construcției circuitului AND în elementul TTL este că folosește un tranzistor multi-emițător MT, înlocuind un grup de diode de intrare ale circuitului DTL. Joncțiunile emițătorului MT acționează ca diode de intrare, iar joncțiunea colectorului acționează ca o diodă de polarizare în circuitul de bază a tranzistorului al părții inversoare a circuitului elementului.
Când luăm în considerare principiul de funcționare al MT, acesta poate fi imaginat ca fiind format din tranzistoare individuale cu baze și colectoare combinate, așa cum se arată în Fig. 2.9, b.
orez. 2.9
Să fie aplicată o tensiune de nivel logic 1 (3,2 V) la toate intrările elementului. Distribuția posibilă a potențialelor în puncte individuale ale circuitului este prezentată în Fig. 2.10a. Joncțiunile emițătorului MT se dovedesc a fi polarizate invers (potențialele emițătorului sunt mai mari decât potențialele de bază), joncțiunea colectorului MT, dimpotrivă, este polarizată în direcția înainte (potențialul colectorului este mai mic decât potențialul de bază). Astfel, MT poate fi reprezentat de tranzistoare care funcționează în mod activ cu comutare inversă (în astfel de comutare, emițătorul și colectorul își schimbă rolurile). Tranzistorul multi-emițător este proiectat în așa fel încât câștigul său în conexiune inversă este mult mai mic decât unitatea. Prin urmare, emițătorii selectează un curent mic din sursele de semnal de intrare (spre deosebire de elementele DTL, unde acest curent prin diodele de intrare închise este practic zero). Curentul de bază MT trece prin joncțiunea colectorului în baza tranzistorului VT, menținându-l pe acesta din urmă în modul de saturație. Tensiunea de ieșire este setată la un nivel scăzut (log.0).
orez. 2.10.
Să luăm în considerare o altă stare a circuitului. Fie ca cel puțin una dintre intrări să aibă un nivel de tensiune de log.0. Distribuția potențialului rezultată este prezentată în Fig. 2.10b. Potențialul de bază MT este mai mare decât potențialul emițătorului și colectorului. În consecință, ambele joncțiuni, emițătorul și colectorul, sunt polarizate direct și MT este în modul de saturație. Întregul curent de bază al MT este închis prin joncțiunile emițătorului. Tensiunea dintre emițător și colector este aproape de zero, iar nivelul de joasă tensiune care acționează asupra emițătorului este transmis prin MT la baza tranzistorului VT. Tranzistorul VT este închis, nivelul tensiunii de ieșire este ridicat (nivel log 1). În acest caz, aproape întregul curent de bază al MT este închis prin joncțiunea emițătorului polarizat direct a MT.
Parametrii de bază ai elementelor logice integrate
Să ne uităm la principalii parametri și modalități de îmbunătățire a acestora.
Factor de pooling de intrare determină numărul de intrări ale elementelor destinate să furnizeze variabile logice. Un element cu un coeficient mare de combinare de intrare are capacități logice mai largi.
Capacitate de incarcare (sau raportul de ieșire în fanout) determină numărul de intrări ale elementelor similare care pot fi conectate la ieșirea unui element dat. Cu cât capacitatea de încărcare a elementelor este mai mare, cu atât este mai mic numărul de elemente poate fi necesar la construirea unui dispozitiv digital.
Pentru a crește capacitatea de încărcare în DTL și TTL, se utilizează un circuit complicat al părții inversoare. Schema unui element cu una dintre variantele unui invertor complex este prezentată în Fig. 2.11.
orez. 2.11
Figura 2.11a ilustrează modul element activat. Dacă toate intrările au o tensiune de nivel logic de 1, tot curentul care trece prin rezistorul R1 este furnizat la baza tranzistorului VT2. Tranzistorul VT2 se deschide și intră în modul de saturație. Curentul emițătorului tranzistorului VT2 curge în baza tranzistorului VT5, menținând acest tranzistor deschis. Tranzistoarele VT3 și VT4 sunt închise, deoarece la joncțiunea emițătorului fiecăruia dintre ele se aplică o tensiune de 0,3 V, care este insuficientă pentru a deschide tranzistoarele.
În fig. 2.11b arată modul în care elementul este oprit. Dacă cel puțin una dintre intrări are un nivel de tensiune de log.0, atunci curentul rezistenței R1 este comutat complet la circuitul de intrare. Tranzistoarele VT2 și VT5 se închid, tensiunea de ieșire este la nivelul log.1. Tranzistoarele VT3, VT4 funcționează în doi emițători de urmărire conectați în serie, a căror intrare este alimentată cu curent prin rezistorul R2, iar curentul emițătorului tranzitoriului VT4 alimentează sarcina.
Când elementul cu un invertor simplu este oprit, curentul este furnizat sarcinii de la sursa de alimentare printr-un rezistor colector Rк cu o rezistență mare (vezi Fig. 2.11b). Acest rezistor limitează valoarea maximă a curentului în sarcină (pe măsură ce curentul de sarcină crește, scăderea de tensiune pe Rk crește, tensiunea de ieșire scade). Într-un element cu un invertor complex, curentul emițătorului tranzistorului VT4, care funcționează într-un circuit urmăritor al emițătorului, este furnizat sarcinii. Deoarece rezistența de ieșire a emițătorului urmăritor este mică, tensiunea de ieșire depinde mai puțin de curentul de sarcină și sunt permise valori mari ale curentului de sarcină.
Performanţăelementele logice este unul dintre cei mai importanți parametri ai elementelor logice; este estimat prin întârzierea în propagarea semnalului de la intrare la ieșire a elementului.
Figura 2.12 prezintă forma semnalelor de intrare și de ieșire ale elementului logic (invertor): t 1.0 3 - timpul de întârziere pentru comutarea ieșirii elementului de la starea 1 la starea 0; t 0,1 3 - întârziere de comutare de la starea 0 la starea 1. După cum se poate observa din figură, timpul de întârziere este măsurat la un nivel mediu între nivelurile log.0 și log.1. Întârzierea medie de propagare a semnalului t з av = 0,5 (t 0,1 3 + t 1,0 3). Acest parametru este utilizat la calcularea întârzierii de propagare a semnalelor în circuite logice complexe.
orez. 2.12
Să luăm în considerare factorii care influențează performanța unui element logic și metodele de creștere a performanței.
Pentru a crește viteza de comutare a tranzistoarelor din element, este necesar să folosiți tranzistori de frecvență mai mare și să comutați tranzistoarele cu curenți mari de control în circuitul de bază; o reducere semnificativă a timpului de întârziere se realizează prin utilizarea unui mod saturat de funcționare a tranzistorilor (în acest caz, timpul necesar pentru resorbția purtătorilor minoritari în bază atunci când tranzistoarele sunt oprite) este eliminat.
orez. 2.13
Acest proces poate fi accelerat prin următoarele metode:
· o scădere a lui R (și deci o scădere a constantei de timp); totusi, in acelasi timp, creste curentul si puterea consumata de la sursa de energie;
· utilizarea căderilor mici de tensiune în element;
· utilizarea unui element de urmărire emițător la ieșire, care reduce influența capacității de sarcină.
Mai jos, la descrierea elementelor logice ale logicii cuplate cu emițător, este prezentată utilizarea acestor metode pentru a crește viteza elementelor.
orez. 2.13
Imunitate la zgomot este determinată de valoarea maximă a interferenței care nu provoacă perturbări în funcționarea elementului.
Pentru a evalua cantitativ imunitatea la zgomot, vom folosi așa-numitul caracteristica de transfer element logic (invertor). Figura 2.14 prezintă o formă tipică a acestei caracteristici.
orez. 2.14
Caracteristica de transfer este dependența tensiunii de ieșire de intrare. Pentru a-l obține, este necesar să conectați toate intrările elementului logic și, prin schimbarea tensiunii de ieșire, să marcați valorile corespunzătoare ale tensiunii de ieșire.
Pe măsură ce tensiunea de intrare crește de la zero la nivelul prag log.0 U 0 p, tensiunea de ieșire scade de la nivelul log.1 U 1 min. O creștere suplimentară a intrării duce la o scădere bruscă a ieșirii. La valori mari ale tensiunii de intrare care depășesc nivelul pragului log.1 U 0 max. Astfel, în timpul funcționării normale a elementului în modul static (în mod constant), tensiunile de intrare U 0 p sunt inacceptabile< u вх
Zgomotul acceptabil este considerat a fi acela care, atunci când este suprapus la tensiunea de intrare, nu îl va aduce în regiunea valorilor inacceptabile U 0 p< u вх
Poartă logică cuplată cu emițător
În Fig. 2.15.
orez. 2.15.
Tranzistoarele VT 0, VT 1, VT 2, VT 3 funcționează în circuitul comutatorului de curent, tranzistoarele VT 4, VT 5 - în adepții emițătorului de ieșire. Diagrama arată valorile potențiale în diferite puncte când se aplică un nivel de tensiune de log.1 la intrare; Valorile potențialelor acelorași puncte sunt incluse între paranteze pentru cazul în care un nivel de tensiune de log.0 este aplicat tuturor intrărilor elementului. Valorile acestor potențiale corespund următoarelor niveluri:
· tensiunea de alimentare Ek = 5 V;
· nivel logic 1 U 1 = 4,3 V;
· nivel logic 1 U 0 = 3,5 V;
· tensiunea dintre baza și emițătorul tranzistorului deschis U să fie = 0,7 V.
Să luăm în considerare principiul de funcționare al elementului logic integrat ESL (vezi Fig. 2.15).
Fie ca tensiunea U 1 = 4,3 V să fie aplicată la In 1. Tranzistorul VT 1 este deschis; curentul emițătorului acestui tranzistor creează o cădere de tensiune la rezistorul R U a = U 1 -U be = 4,3 - 0,7 = 3,6 V; curentul colectorului creează o tensiune U Rк1 = 0,8 V pe rezistența Rk1; tensiunea la colectorul tranzistorului U b = E k - U Rk1 = 5 - 0,8 = 4,2 V.
Tensiunea dintre baza și emițătorul tranzistorului VT 0 U fie VT0 = U - U a = 3,9 - 3,6 = 0,3 V; această tensiune nu este suficientă pentru a deschide tranzistorul VT 0. Astfel, starea deschisă a oricăruia dintre tranzistoarele VT 1, VT 2, VT 3 duce la starea închisă a tranzistorului VT 0. Curentul prin rezistorul R k2 este foarte mic (curge doar curentul de bază al tranzistorului VT 5), iar tensiunea la colectorul VT 0.
Să luăm în considerare o altă stare a elementului logic. Fie ca la toate intrările să acţioneze o tensiune de log.0 U 0 = 3,5 V. În acest caz, tranzistorul VT 0 se dovedeşte a fi deschis (dintre toate tranzistoarele ale căror emiţători sunt combinaţi, se deschide cel cu tensiunea mai mare la bază). ); U a = U - U fie = 3,9 - 0,7 = 3,2 V; tensiunea dintre baza și emițătorul tranzistoarelor VT 1, VT 2, VT 3 este egală cu U fi VT1...VT0 = U 0 - U a = 3,5 - 0,7 = 0,3 V și aceste tranzistoare sunt închise; U b = 5 V; U in = 4,2 V.
Tensiunile din punctele b și c sunt transmise la ieșirile elementului prin repetoare emițătoare; în acest caz, nivelul tensiunii scade cu valoarea U be = 0,7 V. Să fim atenți la faptul important că tensiunile la ieșiri sunt egale cu U 1 (4,3 V) sau U 0 (3,5 V).
Să aflăm ce funcție logică se formează la ieșirile elementului.
În punctul de la și la Out 2, este generată o tensiune de nivel scăzut atunci când tranzistorul VT 0 este deschis, adică. în cazul în care x 1 = 0, x 2 = 0, x 3 = 0. Pentru orice altă combinație de valori variabile de intrare, tranzistorul VT 0 este închis și este generată o tensiune de nivel înalt la Out 2. De aici rezultă că la Out 2 se formează o disjuncție de variabile x 1 Vx 1 Vx 1. Funcția SAU-NU se formează la Out 1.
Prin urmare, poarta logică efectuează operații NOR și SAU.
În microcircuitele ESL, punctul g este comun, iar punctul d este conectat la o sursă de alimentare cu o tensiune de -5V. În acest caz, potențialele tuturor punctelor circuitului sunt reduse la 5 V.
Elementul logic considerat aparține clasei elementelor cu acțiune cea mai rapidă (timp scurt de întârziere de propagare a semnalului) este asigurat de următorii factori: tranzistoarele deschise sunt în modul activ (nu în modul de saturație); utilizarea emițătorilor de urmărire la ieșiri accelerează procesul de reîncărcare a condensatoarelor conectate la ieșiri; tranzistoarele sunt conectate conform unui circuit de comutare de bază comun, care îmbunătățește proprietățile de frecvență ale tranzistorilor și accelerează procesul de comutare a acestora; Diferența de niveluri logice U 1 -U 0 = 0,8 V a fost aleasă să fie mică (cu toate acestea, aceasta duce la o imunitate relativ scăzută la zgomot a elementului).
Elemente logice bazate pe tranzistoare MOS
orez. 2.16
În fig. Figura 2.16 prezintă o diagramă a unui element logic cu un canal indus de tip n (așa-numita tehnologie n MIS). Tranzistoarele principale VT 1 și VT 2 sunt conectate în serie, tranzistorul VT 3 acționează ca sarcină. În cazul în care se aplică o tensiune înaltă U 1 la ambele intrări ale elementului (x 1 = 1, x 2 = 1), ambele tranzistoare VT 1 și VT 2 sunt deschise și o tensiune joasă U 0 este setată la ieșire. În toate celelalte cazuri, cel puțin unul dintre tranzistoarele VT1 sau VT2 este închis și tensiunea U1 este setată la ieșire. Astfel, elementul îndeplinește funcția logică ȘI-NU.
orez. 2.17
În fig. Figura 2.17 prezintă o diagramă a elementului SAU-NU. O tensiune joasă U 0 este setată la ieşirea sa dacă cel puţin una dintre intrări are o tensiune înaltă U 1 , deschizând unul dintre tranzistoarele principale VT 1 şi VT 2 .
orez. 2.18
Arată în Fig. Diagrama 2.18 este o diagramă a elementului NOR-NOT al tehnologiei KMDP. În ea, tranzistoarele VT 1 și VT 2 sunt cele principale, tranzistoarele VT 3 și VT 4 sunt cele de sarcină. Fie tensiunea înaltă U 1. În acest caz, tranzistorul VT 2 este deschis, tranzistorul VT 4 este închis și, indiferent de nivelul de tensiune la cealaltă intrare și de starea tranzistoarelor rămase, la ieșire este setată o tensiune joasă U 0. Elementul implementează operația logică SAU-NU.
Circuitul CMPD se caracterizează printr-un consum de curent foarte scăzut (și, prin urmare, putere) de la sursele de alimentare.
Elemente logice ale logicii injectiei integrale
orez. 2.19
În fig. Figura 2.19 prezintă topologia elementului logic al logicii de injecție integrală (I 2 L). Pentru a crea o astfel de structură, sunt necesare două faze de difuzie în siliciu cu conductivitate de tip n: în prima fază se formează regiunile p 1 și p 2, iar în cea de-a doua fază se formează regiunile n 2.
Elementul are structura p 1 -n 1 -p 2 -n 1 . Este convenabil să luăm în considerare o astfel de structură cu patru straturi imaginându-l ca o conexiune a două structuri convenționale de tranzistori cu trei straturi:
p 1 - n 1 - p 2 n 1 - p 2 - n 1
Diagrama corespunzătoare acestei reprezentări este prezentată în Fig. 2.20, a. Să luăm în considerare funcționarea elementului conform acestei scheme.
orez. 2.20
Tranzistorul VT 2 cu o structură de tip n 1 -p 2 -n 1 îndeplinește funcțiile unui invertor cu mai multe ieșiri (fiecare colector formează o ieșire separată a unui element conform unui circuit colector deschis).
Tranzistorul VT 2, numit injector, are o structură ca p 1 -n 1 -p 2 . Deoarece aria n 1 a acestor tranzistoare este comună, emiţătorul tranzistorului VT 2 trebuie conectat la baza tranzistorului VT 1; prezența unei zone comune p 2 duce la necesitatea conectării bazei tranzistorului VT 2 cu colectorul tranzistorului VT 1. Aceasta creează o conexiune între tranzistoarele VT 1 și VT 2, prezentate în Fig. 2.20a.
Deoarece emițătorul tranzistorului VT 1 are un potențial pozitiv și baza este la potențial zero, joncțiunea emițătorului este polarizată direct și tranzistorul este deschis.
Curentul colector al acestui tranzistor poate fi închis fie prin tranzistorul VT 3 (invertorul elementului anterior), fie prin joncțiunea emițătorului tranzistorului VT 2.
Dacă elementul logic anterior este în stare deschisă (tranzistorul VT 3 este deschis), atunci la intrarea acestui element există un nivel de tensiune scăzut, care, acționând pe baza VT 2, menține acest tranzistor în stare închisă. Curentul injectorului VT 1 este închis prin tranzistorul VT 3. Când elementul logic anterior este închis (tranzistorul VT 3 este închis), curentul colector al injectorului VT 1 curge în baza tranzistorului VT 2, iar acest tranzistor este setat la starea deschisă.
Astfel, când VT 3 este închis, tranzistorul VT 2 este deschis şi, invers, când VT 3 este deschis, tranzistorul VT 2 este închis. Starea deschisă a elementului corespunde stării log.0, iar starea închisă corespunde stării log.1.
Injectorul este o sursă de curent continuu (care poate fi comună unui grup de elemente). Adesea folosesc denumirea grafică convențională a unui element, prezentată în Fig. 2.21, b.
În fig. Figura 2.21a prezintă un circuit care implementează operația SAU-NU. Conexiunea colectoarelor de elemente corespunde funcționării așa-numitelor instalatia I. Într-adevăr, este suficient ca cel puțin unul dintre elemente să fie în starea deschisă (starea log.0), atunci curentul de injector al următorului element va fi închis prin invertorul deschis și se va stabili un nivel scăzut de log.0 la ieșirea combinată a elementelor. În consecință, la această ieșire se formează o valoare corespunzătoare expresiei logice x 1 · x 2. Aplicarea transformării lui de Morgan conduce la expresia x 1 · x 2 = . Prin urmare, această conexiune de elemente implementează cu adevărat operația SAU-NU.
orez. 2.21
Elementele logice ȘI 2 L au următoarele avantaje:
· asigura un grad ridicat de integrare; la fabricarea circuitelor I 2 L se folosesc aceleasi procese tehnologice ca si la producerea circuitelor integrate pe tranzistoare bipolare, dar numarul operatiilor tehnologice si a fotomastilor necesare este mai mic;
· se folosește o tensiune redusă (aproximativ 1V);
· oferă capacitatea de a schimba puterea pe o gamă largă de performanțe (consumul de energie poate fi modificat cu mai multe ordine de mărime, ceea ce va duce în mod corespunzător la o schimbare a performanței);
· sunt în acord bun cu elementele TTL.
În fig. Figura 2.21b prezintă o diagramă a tranziției de la elementele I 2 L la elementul TTL.
Elementele logice funcționează ca elemente independente sub formă de microcircuite cu un grad scăzut de integrare și sunt incluse sub formă de componente în microcircuite cu un grad superior de integrare. Există zeci de astfel de elemente.
Dar mai întâi vom vorbi doar despre patru dintre ele - acestea sunt elementele ȘI, SAU, NU, ȘI-NU. Elementele principale sunt primele trei, iar elementul AND-NOT este deja o combinație a elementelor AND și NOT. Aceste elemente pot fi numite „blocurile de bază” ale tehnologiei digitale. În primul rând, ar trebui să luăm în considerare care este logica acțiunii lor?
Să ne amintim prima parte a articolului despre microcircuite digitale. S-a spus acolo că tensiunea la intrarea (ieșirea) microcircuitelor în intervalul 0...0,4V este un nivel logic zero, sau o tensiune de nivel scăzut. Dacă tensiunea este între 2,4...5,0 V, atunci acesta este un nivel logic sau o tensiune de nivel înalt.
Starea de funcționare a microcircuitelor din seria K155 și a altor microcircuite cu o tensiune de alimentare de 5V este caracterizată tocmai de aceste niveluri. Dacă tensiunea la ieșirea microcircuitului este în intervalul 0,4...2,4V (de exemplu, 1,5 sau 2,0V), atunci vă puteți gândi deja la înlocuirea acestui microcircuit.
Sfat practic: pentru a vă asigura că acest microcircuit este defect la ieșire, ar trebui să deconectați de la el intrarea microcircuitului de lângă el (sau mai multe intrări conectate la ieșirea acestui microcircuit). Aceste intrări pot pur și simplu „amplifica” (supraîncărca) ieșirea microcircuitului.
Simboluri grafice convenționale
Simbolul grafic este un dreptunghi care conține linii de intrare și de ieșire. Liniile de intrare ale elementelor sunt situate în stânga, iar liniile de ieșire în dreapta. Același lucru este valabil și pentru foile întregi cu circuite: în partea stângă sunt toate semnalele de intrare, în dreapta sunt ieșirile. Este ca un rând într-o carte, de la stânga la dreapta, așa că va fi mai ușor de reținut. În interiorul dreptunghiului se află un simbol care indică funcția îndeplinită de element.
Vom începe considerarea elementelor logice cu elementul AND.
Figura 1. Poarta SI
Simbolul său grafic este prezentat în Figura 1a. Simbolul pentru funcția AND este simbolul englezesc „&”, care în engleză înlocuiește conjuncția „și”, până la urmă, toată această „pseudoștiință” a fost inventată în burghezia blestemata.
Intrările elementului sunt desemnate ca X cu indici 1 și 2, iar ieșirea, ca funcție de ieșire, este desemnată cu litera Y. Simplu, ca în matematica școlară, de exemplu, Y = K*X sau, în general , Y = f(x) . Un element poate avea mai mult de două intrări, ceea ce este limitat doar de complexitatea problemei care se rezolvă, dar poate exista o singură ieșire.
Logica de funcționare a elementului este următoarea: va exista o tensiune de nivel înalt la ieșirea Y numai când AND la intrarea X1 ȘI la intrarea X2 există o tensiune de nivel înalt. Dacă elementul are 4 sau 8 intrări, atunci condiția specificată (prezența unui nivel ridicat) trebuie îndeplinită la toate intrările: ȘI la intrarea 1, ȘI la intrarea 2, ȘI la intrarea 3…..ȘI la intrarea N. Numai în acest caz, randamentul va fi de asemenea mare.
Pentru a facilita înțelegerea logicii funcționării elementului AND, Figura 1b prezintă analogul său sub forma unei diagrame de contact. Aici ieșirea elementului Y este reprezentată de lampa HL1. Dacă lampa se aprinde, atunci acesta corespunde unui nivel ridicat la ieșirea elementului AND.Asemenea elemente sunt numite adesea 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. Prima cifră indică numărul de intrări.
Ca semnale de intrare X1 și X2, sunt folosite butoanele „clopot” obișnuite fără fixare. Starea deschisă a butoanelor este o stare de nivel scăzut, iar starea închisă este, desigur, un nivel ridicat. Diagrama prezintă o baterie galvanică ca sursă de alimentare. În timp ce butoanele sunt în stare deschisă, lampa, desigur, nu se aprinde. Lampa se va aprinde numai atunci când ambele butoane sunt apăsate simultan, adică. I-SB1, I-SB2. Aceasta este conexiunea logică dintre semnalele de intrare și de ieșire ale elementului AND.
O reprezentare vizuală a funcționării elementului AND poate fi obținută analizând diagrama de timp prezentată în Figura 1c. Mai întâi, apare un semnal de nivel înalt la intrarea X1, dar nu s-a întâmplat nimic la ieșirea Y, există încă un semnal de nivel scăzut. La intrarea X2, semnalul apare cu o oarecare întârziere față de prima intrare și un semnal de nivel înalt apare la ieșirea Y.
Când intrarea X1 scade, și ieșirea scade. Sau, altfel spus, ieșirea este menținută ridicată atâta timp cât ambele intrări sunt ridicate. Același lucru se poate spune despre mai multe elemente SI cu mai multe intrări: dacă este 8-I, atunci pentru a obține un nivel ridicat la ieșire, nivelul ridicat trebuie menținut la toate cele opt intrări simultan.
Cel mai adesea în literatura de referință, starea de ieșire a elementelor logice în funcție de semnalele de intrare este dată sub formă de tabele de adevăr. Pentru elementul considerat 2-I, tabelul de adevăr este prezentat în Figura 1d.
Tabelul este oarecum asemănător cu cel al înmulțirii, doar mai mic. Dacă îl studiezi cu atenție, vei observa că nivelul de ieșire va fi ridicat doar atunci când există o tensiune de nivel ridicat sau, ceea ce este același lucru, una logică la ambele intrări. Apropo, comparația dintre tabelul de adevăr cu cea de înmulțire este departe de a fi întâmplătoare: inginerii electronici știu toate tabelele de adevăr, după cum se spune, pe de rost.
De asemenea, funcția AND poate fi descrisă folosind . Pentru un element cu două intrări, formula va arăta astfel: Y = X1*X2 sau o altă formă de scriere Y = X1^X2.
Ne vom uita în continuare la poarta SAU.
Figura 2. Poarta SAU
Notația sa grafică este similară cu elementul AND tocmai discutat, cu excepția faptului că în loc de semnul & care indică funcția AND, numărul 1 este înscris în interiorul dreptunghiului, așa cum se arată în Figura 2a. În acest caz, denotă funcția SAU. În stânga sunt intrările X1 și X2, dintre care, ca și în cazul funcției AND, pot fi mai multe, iar în dreapta este ieșirea, desemnată cu litera Y.
Sub forma unei formule de algebră booleană, funcția SAU este scrisă ca Y = X1 + X2.
Conform acestei formule, Y va fi adevărat atunci când OR la intrarea X1, SAU la intrarea X2, SAU la ambele intrări există un nivel ridicat simultan.
Diagrama de contact prezentată în Figura 2b vă va ajuta să înțelegeți ceea ce tocmai s-a spus: apăsarea oricăruia dintre butoane (nivel înalt) sau ambele butoane simultan va face ca becul să se aprindă (nivel înalt). În acest caz, butoanele sunt semnale de intrare X1 și X2, iar becul este semnalul de ieșire Y. Pentru a face acest lucru mai ușor de reținut, figurile 2c și 2d prezintă o diagramă de timp și, respectiv, un tabel de adevăr: doar analizați funcționarea circuitul de contact afișat cu diagrama și tabelul, ca toate întrebările, vor dispărea.
NU poarta, invertor
După cum a spus un profesor, în tehnologia digitală nu este nimic mai complicat decât un invertor. Poate că acest lucru este de fapt adevărat.
În algebra logică, operația NOT se numește inversare, care tradusă din engleză înseamnă negație, adică nivelul semnalului de ieșire corespunde exact opusul semnalului de intrare, care sub forma unei formule arată ca Y = /X
(Bara oblică dinaintea lui X indică inversarea reală. De obicei, se folosește o liniuță de subliniere în loc de o bară oblică, deși o astfel de desemnare este destul de acceptabilă.)
Denumirea grafică simbolică a elementului NU este un pătrat sau dreptunghi cu numărul 1 scris în interior.
Figura 3. Invertor
În acest caz, înseamnă că acest element este un invertor. Are doar o intrare X și o ieșire Y. Linia de ieșire începe cu un cerc mic, ceea ce indică de fapt că acest element este un invertor.
După cum tocmai am spus, invertorul este cel mai complex circuit din tehnologia digitală. Și acest lucru este confirmat de diagrama de contact: dacă înainte doar butoanele erau suficiente, acum li s-a adăugat un releu. În timp ce butonul SB1 nu este apăsat (zero logic la intrare), releul K1 este dezactivat și contactele sale normal închise pornesc becul HL1, care corespunde unuia logic la ieșire.
Dacă apăsați butonul (aplicați unul logic la intrare), releul se va porni, contactele K1.1 se vor deschide, lumina se va stinge, ceea ce corespunde unui zero logic la ieșire. Acest lucru este confirmat de diagrama de timp din Figura 3c și de tabelul de adevăr din Figura 3d.
Elementul logic AND-NOT nu este altceva decât o combinație a elementului logic AND cu elementul NOT.
Figura 4. Poarta NAND
Prin urmare, pe denumirea sa grafică convențională există un semn & (ȘI logic), iar linia de ieșire începe cu un cerc, indicând prezența unui invertor în element.
Analogul de contact al elementului logic este prezentat în Figura 4b și, dacă vă uitați cu atenție, este foarte asemănător cu analogul invertorului prezentat în Figura 3b: becul este aprins și prin contactele normal închise ale releului K1 . De fapt, acesta este un invertor. Releul este controlat de butoanele SB1 și SB2, care corespund intrărilor X1 și X2 ale porții NAND. Diagrama arată că releul va fi pornit numai atunci când ambele butoane sunt apăsate: în acest caz, butoanele îndeplinesc funcția & (ȘI logic). În acest caz, lampa de ieșire se va stinge, ceea ce corespunde unei stări logice de zero.
Dacă ambele butoane, sau cel puțin unul dintre ele, nu sunt apăsate, atunci releul este oprit și lumina de la ieșirea circuitului este aprinsă, ceea ce corespunde nivelului logic.
Din tot ce s-a spus, se pot trage următoarele concluzii:
În primul rând, dacă cel puțin o intrare are un zero logic, atunci ieșirea va fi una logică. Aceeași stare la ieșire va fi în cazul în care zerouri sunt prezente la ambele intrări simultan. Aceasta este o proprietate foarte valoroasă a elementelor NAND: dacă conectați ambele intrări, elementul NAND devine un invertor - pur și simplu îndeplinește funcția NOT. Această proprietate vă permite să evitați instalarea unui microcircuit special care conține șase invertoare simultan, atunci când sunt necesare doar unul sau două.
În al doilea rând, un zero la ieșire poate fi obținut numai dacă le „colectați” la toate intrările. În acest caz, ar fi potrivit să se numească elementul logic în întrebare 2ȘI-NU. Un doi indică faptul că acest element are două intrări. În aproape toate seriile de microcircuite există și elemente cu 3, 4 și opt intrări. Mai mult, fiecare dintre ele are o singură ieșire. Cu toate acestea, elementul de bază în multe serii de microcircuite digitale este considerat elementul 2I-NOT.
Cu diferite opțiuni pentru conectarea intrărilor, puteți obține o altă proprietate minunată. De exemplu, prin conectarea a trei intrări ale unui element 8I-NOT cu opt intrări, obținem un element 6I-NOT. Și dacă conectați toate cele 8 intrări împreună, obțineți doar un invertor, așa cum am menționat mai sus.
Aceasta încheie introducerea noastră la elementele logice. Următoarea parte a articolului va analiza experimente simple cu microcircuite, structura internă a microcircuitelor și dispozitive simple, cum ar fi generatoarele de impulsuri.
Boris Aladyshkin
Absolut toate microcircuitele digitale constau din aceleași elemente logice - „blocurile de construcție” ale oricărui nod digital. Despre asta vom vorbi acum.
Element logic- Acesta este un circuit care are mai multe intrări și o ieșire. Fiecare stare a semnalelor la intrări corespunde unui semnal specific la ieșire.
Deci care sunt elementele?
Elementul „ȘI”
Altfel se numește „conjunctor”.
Pentru a înțelege cum funcționează, trebuie să desenați un tabel care enumeră stările de ieșire pentru orice combinație de semnale de intrare. Acest tabel se numește „ tabelul de adevăr" Tabelele de adevăr sunt utilizate pe scară largă în tehnologia digitală pentru a descrie funcționarea circuitelor logice.
Iată cum arată elementul „ȘI” și tabelul său de adevăr:
Deoarece va trebui să comunicați atât cu tehnologia rusă, cât și cu cea burgheză. documentație, voi furniza simboluri grafice simbolice (GID) ale elementelor atât conform standardelor noastre, cât și al celor care nu sunt.
Ne uităm la tabelul de adevăr și clarificăm principiul din creierul nostru. Nu este greu de înțeles: o unitate la ieșirea elementului „ȘI” apare numai atunci când unitățile sunt furnizate la ambele intrări. Astfel se explică numele elementului: unitățile trebuie să fie atât pe una cât și pe cealaltă intrare.
Dacă îl privim puțin diferit, putem spune acest lucru: ieșirea elementului „ȘI” va fi zero dacă zero este aplicat la cel puțin una dintre intrările sale. Să ne amintim. Daţi-i drumul.
element SAU
În alt fel, el este numit „disjunctor”.
Admirăm:
Din nou, numele vorbește de la sine.
O unitate apare la ieșire atunci când o unitate este aplicată la una SAU la alta SAU la ambele intrări simultan. Acest element poate fi numit și elementul „ȘI” pentru logica negativă: un zero la ieșirea sa apare numai dacă zerouri sunt furnizate atât uneia, cât și celei de-a doua intrări.
element NOTĂ
Mai des, se numește „invertor”.
Trebuie să spun ceva despre munca lui?
element NAND
Poarta NAND funcționează exact la fel ca și poarta AND, doar semnalul de ieșire este complet opus. Acolo unde elementul „ȘI” ar trebui să aibă o ieșire „0”, elementul „ȘI-NU” ar trebui să aibă unul. Si invers. Acest lucru este ușor de înțeles din circuitul echivalent al elementului:
Elementul „NOR” (NOR)
Aceeași poveste - un element „SAU” cu un invertor la ieșire.
Următorul tovarăș este puțin mai viclean:
Element SAU exclusiv (XOR)
El este asa:
Operația pe care o efectuează este adesea numită „adăugare modulo 2”. De fapt, sumatoarele digitale sunt construite pe aceste elemente.
Să ne uităm la tabelul adevărului. Când este unitatea de ieșire? Corect: când intrările au semnale diferite. Pe unul - 1, pe celălalt - 0. Așa este și el.
Circuitul echivalent este cam așa:
Nu este necesar să-l memorezi.
De fapt, acestea sunt principalele elemente logice. Absolut orice microcircuite digitale sunt construite pe baza lor. Chiar și Pentium-ul tău preferat.
Și în sfârșit, câteva microcircuite care conțin elemente digitale. Numerele picioarelor corespunzătoare ale microcircuitului sunt indicate lângă bornele elementelor. Toate jetoanele enumerate aici au 14 picioare. Alimentarea este furnizată la picioarele 7 (-) și 14 (+). Tensiune de alimentare – vezi tabelul din paragraful anterior.
Elementele logice formează baza dispozitivelor digitale (discrete) de procesare a informațiilor și a dispozitivelor digitale de automatizare.
Elementele logice efectuează cele mai simple operații logice asupra informațiilor digitale. O operație logică transformă informațiile de intrare în informații de ieșire conform anumitor reguli. Elementele logice sunt cel mai adesea construite pe baza dispozitivelor electronice care funcționează într-un mod cheie. Prin urmare, informația digitală este de obicei reprezentată în formă binară, în care semnalele iau doar două valori: „0” (zero logic) și „1” (una logică) corespunzătoare celor două stări ale cheii. Un zero logic corespunde unui nivel de tensiune joasă la intrarea sau ieșirea unui element (de exemplu, U 0 =0...0,4V), iar unul logic corespunde unui nivel de tensiune înaltă (de exemplu, U 1 =3 ...5V).
Elementele logice principale sunt elementele OR, AND, NOT, OR-NOT, AND-NOT. Pe baza acestor elemente de bază se construiesc altele mai complexe: flip-flops, contoare, registre, sumatori.
Elementul logic SAU (Fig. 4.1, a) are o ieșire și mai multe intrări (cel mai adesea 2 - 4 intrări) și implementează funcția de adunare sau disjuncție logică. În cazul a două variabile independente, se desemnează Y = X 1 ÚX 2 sau Y = X 1 + X 2 (se citește X 1 sau X 2) și este determinată de tabelul de adevăr (Tabelul 4.1.). Operația SAU poate fi efectuată pe trei sau mai multe argumente independente. Funcția Y = 1 dacă cel puțin una dintre variabilele independente Xi este egală cu una.
Elementul logic ȘI (Fig. 4.1, b) implementează funcția de înmulțire sau conjuncție logică. Se notează cu Y = X 1 ÙX 2 sau Y = X 1 X 2 (se citește X 1 și X 2) și este determinată de tabelul de adevăr (Tabelul 4.2). Operația de înmulțire logică poate fi extinsă la trei sau mai multe argumente independente. Funcția Y este egală cu unu numai atunci când toate variabilele independente Xi sunt egale cu unu.
Poarta logică NU implementează operația logică de negație sau inversare. Negația logică a funcției X se notează cu `X (se spune „nu X”) și este determinată de tabelul de adevăr (Tabelul 4.3).
Elementul logic SAU-NU implementează funcția logică Y = și este determinat de tabelul de adevăr (Tabelul 4.4.).
Elementul logic AND-NOT implementează funcția logică Y = și este determinat de tabelul de adevăr (Tabelul 4.5.).
Figura 4.1 – Imagini grafice simbolice ale elementelor logice SAU (a), ȘI (b), NU (c), SAU-NU (d), ȘI-NU (e)
Tabelul 4.1–Tabelul de adevăr Tabelul 4.2–Tabelul de adevăr al elementului SAU al elementului AND
| X 1 | X 2 | Y = X 1 + X 2 | X 1 | X 2 | Y = X 1 X 2 | ||
Tabelul 4.3–Tabelul de adevăr Tabelul 4.4–Tabelul de adevăr
element NU element SAU - NU
Sunt folosite și elemente care implementează operațiile logice BAN și OR exclusiv.
Elementul logic BAN are de obicei două intrări (Fig. 4.2, a): permițând X 1 și interzicând X 2. Semnalul de ieșire repetă semnalul la intrarea de activare X 1 dacă X 2 =0. Când X 2 = 1, la ieșire apare un semnal 0, indiferent de valoarea lui X 1. Adică, acest element implementează funcția logică Y = X 1. Elementul logic „SAU exclusiv” (neechivalență) (Fig. 4.2, b) implementează o funcție logică și este determinat de tabelul de adevăr (Tabelul 4.6).
Figura 4.2 – Imagini grafice simbolice ale elementelor logice BAN (a), OR exclusiv (b)
Tabelul 4.6 - Tabelul de adevăr al elementului „SAU exclusiv”.
| X 1 | X 2 | Y |
Circuitele integrate digitale oferă semnale de ieșire cu putere foarte scăzută. De exemplu, microcircuitele din seria K155, K555, KR1533 furnizează un curent de ieșire de 0,4 mA în starea logică. Prin urmare, microcircuitele cu colector deschis sunt utilizate de obicei la ieșirile unui bloc logic. În astfel de microcircuite, rezistența inclusă în circuitul colector este mutată în afara microcircuitului (Fig. 4.3, A).
Figura 4.3 – Conectarea unei sarcini la ieșirea unui microcircuit cu colector deschis
Dacă ieșirea microcircuitului DD1 este în starea logică (U OUT = 1), adică tranzistorul său de ieșire este în starea de întrerupere, atunci I K » 0. Când „Log.0” este la ieșirea lui DD1 (U OUT = 0), adică atunci când tranzistorul său de ieșire este în stare de saturație I K » U P / R K. Curentul de ieșire maxim admisibil al microcircuitelor cu colector deschis poate fi semnificativ mai mare decât cel al microcircuitelor convenționale.
De exemplu, pentru microcircuite cu colector deschis K155LL2, K155LI5, K155LA18, curentul maxim de intrare de ieșire poate ajunge la 300 mA, iar tensiunea maximă de ieșire în starea „Log.1” poate fi de 30 V, ceea ce vă permite să comutați o sarcină de pana la 9 W.
Dacă sarcina, de exemplu bobina unui releu sau distribuitor pneumatic, este proiectată pentru tensiune și curent care nu le depășește pe cele permise pentru un anumit microcircuit, atunci poate fi conectată direct la ieșirea microcircuitului (Fig. 4.3, b). În acest caz, releul K1 este activat dacă avem „Log.0” la ieșirea lui DD2 și se oprește când „Log.1” este prezent la ieșirea lui DD2. Dioda VD1, conectată în sens invers, protejează microcircuitul de supratensiunea care apare atunci când bobina releului este oprită din cauza energiei electromagnetice acumulate în ea.
Pentru a controla o sarcină cu o tensiune și un curent de funcționare ridicat, puteți utiliza un circuit în care circuitul de alimentare este comutat de un tranzistor suplimentar VT1, conectat la ieșirea microcircuitului cu un colector deschis DD1 și care funcționează în modul cheie (Fig. 4.4).
Figura 4.4 – Conectarea sarcinii printr-un comutator tranzistor
La „Log.0” la ieșirea lui DD1, tranzistorul VT1 este închis și releul K1 este oprit. La „Log.1” la ieșirea lui DD1, tranzistorul se deschide (intră în stare de saturație). Curentul prin tranzistor în modul de saturație este determinat de tensiunea de alimentare U 1 și rezistența bobinei releului R K1, deoarece căderea de tensiune la tranzistor în modul de saturație U KN » 0:
Tensiunea de alimentare U 1 trebuie selectată egală cu tensiunea de funcționare a sarcinii (în acest caz, releul K1), iar tranzistorul VT1 trebuie selectat cu o tensiune admisibilă a colectorului mai mare decât U 1 și un curent admisibil al colectorului mai mare decât I K1 .
Modul de saturație a tranzistorului este atins când
Pentru o saturație fiabilă a tranzistorului, este necesar ca condiția să fie îndeplinită la valoarea minimă a câștigului de curent static h 21E = h 21E min pentru un anumit tip de tranzistor.
În acest caz, condiția trebuie îndeplinită
U P /R 1³I BN g = gI KN / h 21Emin
unde g este gradul de saturație (g = 1,2…2).
Dioda VD1 protejează tranzistorul de supratensiuni de comutare. Dioda VD2 oferă tensiunea de polarizare necesară pentru a opri tranzistorul la „Log.0” la ieșirea lui DD1. Tensiunea de polarizare este aplicată bazei prin rezistorul R2.
Dacă sarcina are o inductanță semnificativă, atunci este derivată de o diodă conectată în sens opus (vezi Fig. 4.3, b, Fig. 4.4).
Cipurile logice cu colector deschis sunt, de asemenea, folosite pentru a controla echipamentele tehnologice (de exemplu, sudare). Unitățile de control pentru echipamentele moderne de sudare (de exemplu, unitățile de control pentru mașini de sudură semi-automate din seria BUSP, unitățile de control pentru ciclul de sudare cu rezistență din seria RKS) asigură controlul comutării direct folosind un microcircuit colector deschis conectat la o anumită intrare de unitatea de control (Fig. 4.5).
Figura 4.5 – Circuitul de control al echipamentului de proces folosind un cip logic cu colector deschis
