Логические элементы

Логический элемент (логический вентиль) – это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 10.8 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логических элементов.

Рис. 15.8. Логические элементы

Логический элемент может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы. Часто интегральная схема содержит несколько логических элементов.

Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.

Классификация логических элементов. Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):

· резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);

· диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

· транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

· эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);

· транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);

· логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа р (р-МДП);

· логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа n (n-МДП);

· логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);

· интегральная инжекционная логика И²Л;

· логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs.

В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем: ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, Км555, 1533, КР1533; ЭСЛ – 100, К500, К1500; КМОП – 564, К561, 1564, КР1554; GaAs – К6500.

Наиболее важные параметры логических элементов:

· Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигнала t_зр и максимальной рабочей частотой F_макс. Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5U_вх и 0,5ΔU_вых. Максимальная рабочая частота F_макс – это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы.

· Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу К_об (иногда используют термин «коэффициент объединения по выходу»). Величина К_об – это число логических входов, величина К_раз – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента. Типичные значения их таковы: К_об =2…8, К_раз=4…10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью К_раз=20…30.

· Помехоустойчивость в статическом режиме характеризуется напряжением U_пст, которое называется статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента.

· Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний.

· Напряжение питания.

· Входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня U_{вх.1порог} и U_{вх.0порог}, соответствующие изменению состояния логического элемента.

· Выходные напряжения высокого и низкого уровней U_вых1 и U_вых0.

Используются и другие параметры.

Особенности логических элементов различных логик. Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла – базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

· Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 15.9).

Рис. 15.9. Базовый элемент ТТЛ

Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмитттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т₂ закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т₄, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т₂ открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т₄ и запиранию транзистора Т₃, т.е. реализуется функция И-НЕ. Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами или транзисторами Шоттки.

· Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент

И-НЕ (рис. 15.10,а), а на рис. 15.10,б показано графическое изображение транзистора Шоттки.

Рис. 15.10. Логический элемент ТТЛШ

Транзистор VT4 – обычный биполярный транзистор. Если оба входных напряжения u_вх1 и u_вх2 имеют высокий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

· напряжение питания +5 В;

· выходное напряжение низкого уровня не более 0,4 В;

· выходное напряжение высокого уровня не менее 2,5 В;

· помехоустойчивость – не менее 0,3 В;

· среднее время задержки распространения сигнала 20 нс;

· максимальная рабочая частота 25 МГц.

Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ, схема которого подобна схеме дифференциального усилителя. Микросхема ЭСЛ питается отрицательным напряжением (–4 В для серии К1500). Транзисторы этой микросхемы не входят в режим насыщения, что является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналами и динамической нагрузкой и на МОП-транзисторах с p-каналом. Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП-логические элементы (КМДП или КМОП-логика).

Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц.