Инвертор

Простейшим логическим элементом является инвертор, который просто изменяет значение входного сигнала на прямо противоположное значение. Его логическая функция записывается в следующем виде:

где черта над входным значением и обозначает изменение его на противоположное. То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 1. Так как вход у этого логического элемента только один, то его таблица истинности состоит только из двух строк.

Таблица 1.1 Таблица истинности логического инвертора

В качестве логического инвертора можно использовать обычный транзисторный усилитель с транзистором, включенном по схеме с общим эмиттером или истоком. Схема логического инвертора, выполненная на биполярном n-p-n транзисторе, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1.1 Схема простейшего логического инвертора

Схемы логических инверторов могут обладать различным временем распространения сигнала и могут работать на различные виды нагрузки. Они могут быть выполнены на одном или на нескольких транзисторах, но независимо от схемы этого логического элемента и её параметров они осуществляют одну и ту же функцию. Для того, чтобы особенности включения транзисторов не затеняли выполняемую функцию, были введены специальные обозначения для цифровых микросхем — условно-графические обозначения. Условно-графическое изображение инвертора приведено на рисунке 2.

Рисунок 2. Условно-графическое изображение логического инвертора

Логический элемент "И"

Следующим простейшим логическим элементом является схема, реализующая операцию логического умножения "И":

F(x₁,x₂) = x₁^x₂

где символ ^ и обозначает функцию логического умножения. Иногда эта же функция записывается в другом виде:

F(x₁,x₂) = x₁^x₂ = x₁·x₂ = x₁&x₂.

То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 2. В формуле, приведенной выше использовано два аргумента. Поэтому элемент, выполняющий эту функцию имеет два входа. Такой элемент обозначается "2И". Для элемента "2И" таблица истинности будет состоять из четырех строк (2² = 4).

Таблица 1.2 Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2И"

Как видно из приведённой таблицы истинности активный сигнал на выходе этого логического элемента появляется только тогда, когда и на входе X и на входе Y будут присутствовать логические единицы. То есть этот логический элемент действительно реализует операцию "И"

Проще всего понять, как работает логический элемент "И", при помощи схемы, построенной на идеализированных ключах с электронным управлением, как это показано на рисунке 1.2 В этой схеме ток будет протекать только тогда, когда оба ключа будут замкнуты, а значит, единичный уровень на выходе схемы появится только при двух логических единицах на входе.

Рисунок 1.2 Принципиальнае схема, реализующая логическую функцию "2И"

Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию "2И", на принципиальных схемах приведено на рисунке 1.3, и с этого момента схемы, выполняющие функцию “И” будут приводиться именно в таком виде. Это изображение не зависит от конкретной принципиальной схемы устройства, реализующей функцию логического умножения.

Рисунок 1.3 Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию "2И"

Точно так же описывается и функция логического умножения трёх переменных:

F(x₁,x₂,x₃)=x₁^x₂^x₃

Её таблица истинности будет содержать уже восемь строк (2³ = 4). Таблица истинности трёхвходовой схемы логического умножения "3И" приведена в таблице 1.3, а условно-графическое изображение на рисунке 1.4. В схеме же, построенной по принципу схемы, приведённой на рисунке 1.2, придётся добавить третий ключ.

Таблица 1.3 Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "3И"

Рисунок 1.4. Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию "3И"

Логический элемент "ИЛИ"

Следующим простейшим логическим элементом является схема, реализующая операцию логического умножения "И":

F(x₁,x₂) = x₁Vx₂

где символ V обозначает функцию логического сложения. Иногда эта же функция записывается в другом виде:

F(x₁,x₂) = x₁Vx₂ = x₁+x₂ = x₁|x₂.

То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 4. В формуле, приведенной выше использовано два аргумента. Поэтому логический элемент, выполняющий эту функцию имеет два входа. Такой элемент обозначается "2ИЛИ". Для элемента "2ИЛИ" таблица истинности будет состоять из четырех строк (2² = 4).

Таблица 1.4. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ"

Как и в случае, рассмотренном для схемы логического умножения, воспользуемся для реализации схемы "2ИЛИ" ключами. На этот раз соединим ключи параллельно. Схема, реализующая таблицу истинности 1.4, приведена на рисунке 1.5. Как видно из приведённой схемы, уровень логической единицы появится на её выходе, как только будет замкнут любой из ключей, то есть схема реализует таблицу истинности, приведённую в таблице 1.4.

Рисунок 1.5. Принципиальная схема, реализующая логическую функцию "2ИЛИ"

Так как функция логического суммирования может быть реализована различными принципиальными схемами, то для обозначения этой функции на принципиальных схемах используется специальный символ "1", как это приведено на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6. Условно-графическое изображение логического элемента, выполняющего функцию "2ИЛИ"

Глава 2

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)

Наиболее простой логический элемент получается при помощи диодов. Схема базового логического элемента диодной логики приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Принципиальная схема базового логического элемента "2И", выполненного на диодах

В схеме базового логического элемента на диодах при подаче нулевого потенциала на любой из входов (или на оба сразу) через резистор R1 будет протекать ток, и на его сопротивлении возникнет падение напряжения. В результате на выходе схемы базового логического элемента будет присутствовать единичный потенциал только если подать единичный потенциал сразу на оба входа микросхемы. То есть приведенная схема базового логического элемента реализует функцию "2И".

Количество входов логического элемента "И" зависит от количества диодов. Если использовать два диода, то получится логический элемент "2И", если три диода — то логический элемент "3И", если четыре диода, то логический элемент "4И", и так далее. В микросхемах средней интеграции выпускается максимальный логический элемент "8И".

Приведенная схема логического элемента "И" обладает таким недостатком, как смещение логических уровней на ее выходе. Напряжение нуля и напряжение единицы на выходе схемы выше входных уровней на 0.7 В. Это вызвано падением напряжения на входных диодах. Скомпенсировать это смещение уровней можно диодом, включенном на выходе схемы диодного логического элемента, как это показано на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 Принципиальная схема усовершенствованного логического элемента "2И", выполненного на диодах

В этой схеме логического элемента логические уровни на входе и выходе схемы одинаковы. Более того, схема логического элемента, приведенная на рисунке 2.2, будет нечувствительна не только к входным напряжениям, большим напряжения питания схемы, но и к отрицательным входным напряжениям. Диоды выдерживают напряжение до сотен вольт. Поэтому такая схема до сих пор используется для защиты цифровых устройств от перегрузок по напряжению, возникающих, например, в цепях, выходящих за пределы устройства. Естественно, что для защиты одного входа достаточно одного диода на входе элемента. В результате получается только схема защиты без логической функции "И".

К сожалению приведенные схемы логических элементов не могут каскадироваться, так как мощность сигнала при распространении по схеме уменьшается. Поэтому к схеме диодного логического элемента "И" обычно подключается двухтактный усилитель на биполярных транзисторах. Схема такого логического элемента приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3. Принципиальная схема базового логического элемента ДТЛ микросхемы

Усилитель, использованный в схеме на рисунке 2.3, позволяет вырабатывать как втекающий, так и вытекающий выходной ток. Тем не менее следует помнить, что это источник напряжения, и если не ограничить выходной ток микросхемы, то можно вывести ее из строя.

Приведенный на рисунке 3 логический элемент используется в таких современных сериях микросхем как 555, 533, 1531, 1533. Да, да! Не следует удивляться тем, кто привык считать эти микросхемы ТТЛ микросхемами. Микросхемы приведенных серий ведут себя как ТТЛ микросхемы (обладают входными и выходными токами, совместимыми с ТТЛ микросхемами и воспринимают не ДТЛ, а ТТЛ логические уровни), но при этом внутри они реализованы по схеме ДТЛ логических элементов. В приведенных сериях цифровых микросхем для повышения быстродействия применяются транзисторы и диоды Шоттки.

Обратите внимание, что транзистор VT1 инвертирует сигнал на выходе элемента "И". В результате вместо логической 1 на выходе присутствует логический 0. И наоборот, вместо логического нуля на выходе присутствует логическая единица, а схема в целом реализует логическую функцию "2И-НЕ":

Условно-графическое изображение ДТЛ логического элемента "2И-НЕ" показано на рисунке 2.4, а таблица истинности приведена в таблице 2.1

Рисунок 2.4. Условно-графическое изображение логического элемента "2И-НЕ"

Таблица 2.1. Таблица истинности схемы, реализующей логическую функцию "2И-НЕ"

На основе базового элемента ДТЛ строится и инвертор. В этом случае на входе используется только один диод. Схема ДТЛ инвертора приведена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5. Принципиальная схема инвертора ДТЛ микросхемы

В состав современных серий микросхем кроме логических элементов "И" входят логические элементы "ИЛИ". В схеме логического элемента "ИЛИ" транзисторы VT2 соединяются параллельно в точках "а" и "б", показанных на рисунке 2.3, а выходной каскад используется один. Схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ" приведена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6. Принципиальная схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ" ДТЛ микросхемы

Схемы "ИЛИ-НЕ" в этих сериях микросхем имеет обозначение ЛЕ. Например схема К555ЛЕ1 содержит в одном корпусе четыре элемента "2ИЛИ-НЕ". Таблица истинности, реализуемая этой схемой, приведена в таблице 2.2, а условно-графическое изображение логического элемента показано на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7. Условно-графическое изображение элемента "2ИЛИ-НЕ".

Таблица 2.2. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ-НЕ"

Глава 3

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

В ТТЛ схемах вместо параллельного соединения диодов используется многоэмиттерный транзистор. Физика работы этого логического элемента не отличается от работы диодного логического элемента "2И". Высокий потенциал на выходе многоэмиттерного транзистора получается только в том случае, когда на обоих входах логического элемента (эмиттерах транзистора) присутствует высокий потенциал (то есть нет эмиттерного тока). Принципиальная схема базового логического элемента ТТЛ микросхемы приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. Принципиальная схема базового логичиского элемента ТТЛ микросхемы

Умощняющий усилитель, как и в диодно-транзисторном элементе, инвертирует сигнал на выходе схемы логического элемента. По такой схеме выполнены базовые логические элементы ТТЛ микросхем серий 155, 131, 155 и 531. Схемы "И-НЕ" в этих сериях микросхем обычно имеет обозначение ЛА. Например, схема К531ЛА3 содержит в одном корпусе четыре логических элемента "2И-НЕ". Таблица истинности, реализуемая этой схемой, приведена в таблице 3.1, а условно-графическое обозначение этих логических элементов приведено на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2. Условно-графическое обозначение логического элемента "2И-НЕ"

Таблица 3.1. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2И-НЕ"

На основе базового логического элемента строится и инвертор. В этом случае на входе схемы используется только один диод. Схема ТТЛ инвертора приведена на рисунке 3.

Рисунок 3.3. Принципиальная схема инвертора ТТЛ микросхемы

При необходимости объединения нескольких логических элементов "И" по схеме "ИЛИ" (или при реализации логических элементов "ИЛИ") транзисторы VT2 соединяются параллельно в точках "а" и "б", показанных на рисунке 8, а выходной каскад используется один. В результате быстродействие такого, достаточно сложного элемента, получается точно таким же, как и у одиночного логического элемента "2И-НЕ". Принципиальная схема логического элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. Принципиальная схема ТТЛ микросхемы "2И-2ИЛИ-НЕ"

Такие соединения логических элементов широко применяется при реализации цифровых микросхем по произвольной таблице истинности методом СДНФ, а условно-графическое изображение элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" приведено на рисунке 3.5. Такие логические элементы содержатся в отечественных цифровых микросхемах с обозначением ЛР.

Рисунок 3.5. Условно-графическое обозначение логического элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" ТТЛ микросхем

Схемы "ИЛИ-НЕ" в отечественных ТТЛ сериях микросхем средней интеграции имеет обозначение ЛЕ. Например микросхема К1531ЛЕ5 содержит в одном корпусе четыре элемента "2ИЛИ-НЕ". Следует отметить, что в современных микросхемах малой логики стараются в одном корпусе разместить один, в крайнем случае два логических элемента.

Так как в современных схемах ТТЛ и в схемах ДТЛ используется одинаковый выходной усилитель, то и уровни логических сигналов в этих схемах одинаковы. Поэтому часто говорят, что это ТТЛ микросхемы, не уточняя по какой схеме выполнен входной каскад этих микросхем. Тем самым подчеркивается отличие этих микросхем от старых ДТЛ серий микросхем с повышенным напряжением питания. Более того! Появились КМОП микросхемы, совместимые с ТТЛ микросхемами по логическим уровням, например К1564 (иностранный аналог SN74HCT) или К1594 (иностранный аналог SN74АСT).