ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Логические элементы - это электронные приборы, выполняющие простейшие логические операции. В на­стоящее время промышленность выпускает такие элемен­ты в основном в интегральном исполнении. Логические элементы используются в большинстве цифровых инте­гральных микросхем, являясь их основными элементарны­ми кирпичиками, которые во многом определяют их пара­метры.

Анализ работы логических интегральных микро­схем базируется на использовании аппарата математической логики. Все переменные в алгебре логики принимают толь­ко два значения, «единица» или «ноль», и любые математи­ческие действия над этими переменными обеспечивают ре­зультат также либо в виде «1», либо «0». Логические эле­менты дают возможность изображать логические перемен­ные с помощью электрических сигналов (напряжения или тока). Используются два возможных способа представления логической переменной: потенциальный и импульсный. При потенциальном способе «1» и «0» соответствуют два раз­личных уровня напряжения; при импульсном - значениям «1» и «0» соответствует появление и непоявление импульса в определенные промежутки времени. Наибольшее распро­странение получил потенциальный способ. При потенци­альном способе задания различают положительную и отри­цательную логику. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует «1», низкий - «0»; при отрицательной логике - наоборот.

Логические интегральные микросхемы отличаются большим разнообразием, поэтому широко используются их классификации:

по выполняемым логическим функциям (операциям);

по типу транзисторов, на основе которых они по­строены.

Решение любой логической задачи может быть вы­полнено с помощью трех основных логических операций: отрицания («НЕ»), сложения («ИЛИ») и умножения («И»).

Операция «НЕ» или логическая операция отрица­ния означает, что при этой операции логическая функция Y противоположна аргументу X.

Аналитически это может быть записано как Y = X (читается «не X»). Таблица истинности (таблица состояния входных и выходных переменных) имеет вид:

Логический элемент, выполняющий операцию от­рицания, называется элементом «НЕ» (инвертором), ус­ловное обозначение приведено на рис. 111.

Рис. 111. Условные обозначения логических элементов:

элемента «НЕ» (а); элемента «ИЛИ» (б); элемента «И» (в);

элемента «ИЛИ-НЕ» (г); элемента «И-НЕ» (д)

Операция «ИЛИ» (логическое сложение или дизъ­юнкция) обозначается символами «+» или V, аналитически записывается как

Y = X1 + X2 + ... + Xn

или

Y = Xl V X2 V...V Xn.

Таблица истинности при двух аргументах имеет вид:

Логический элемент, осуществляющий операцию дизъюнкции, называется элементом «ИЛИ», реализуется логической интегральной микросхемой, имеющей два и более входов и один выход, который принимает значе­ние «1» всякий раз, когда хотя бы один из его входов равен «1». Условное обозначение элемента приведено на рис. 1116.

Операция «И» (логическое умножение или конъ­юнкция) обозначается символами

«• » или ^, аналитиче­ски записывается как

Y = X1•X2•...•Xn

или

Y = Х1^Х2^...^Хп.

Таблица истинности (при двух аргументах) сле­дующая:

Элемент, осуществляющий операцию конъюнкции, называется элементом «И», реализуется логической интегральной микросхемой с двумя и более входами и одним выходом, на котором появляется сигнал «1» только тогда, когда на все входы одновременно поданы «1». Условное обозначение элемента «И» приведено на рис. 111, в.

Помимо рассмотренных логических элементов ши­роко используются универсальные, осуществляющие две и более логических операции одновременно. Чаще всего применяются логические элементы «ИЛИ-НЕ» (элементы Пирса) и «И-НЕ» (элемент Шеффера). Уравнение функции «ИЛИ-НЕ» Y = X1 + X 2, а функции «И-НЕ» Y = X1 • Х2. Условные обозначения этих элементов приведены на рис. 111 г, д.

Для оценки качества логических интегральных микросхем используются их основные параметры и харак­теристики.

К основным параметрам относятся:

1. Быстродействие - время реакции на изменение сигнала на входе.

2. Коэффициент объединения по входу Коб - число входов, с помощью которых реализуется логическая функция. Обычно Коб = 2÷8.

3. Коэффициент разветвления по выходу Краз характеризует нагрузочную способность и показывает максимальное число аналогичных элементов, которые можно подключить к выходу данного элемента без нарушения его работы (К = 4÷10).

4. Помехоустойчивость - максимальное значение помехи на входе, при которой сохраняется нормальная работа.

5. Потребляемая мощность - мощность, потребляемая в состоянии «1» и «0».

Основные характеристики позволяют:

• входная - рассчитывать условия согласования при под­ключении к выходу какого-либо источника сигнала;

• выходная - определять нагрузочную способность;

• передаточная - определять порог срабатывания (зна­чение напряжений, соответствующих логической «1» и логическому «О») и помехоустойчивость при работе друг на друга.

Цифровые интегральные микросхемы в подавляю­щем большинстве могут быть выполнены на одних актив­ных элементах (транзисторах, диодах). Они не критичны к абсолютному уровню напряжений и токов и отличаются регулярностью структуры.

Можно выделить четыре основных типа инте­гральных микросхем на основе биполярных транзисторов:

- диодно-транзисторная логика, характерны высокая помехоустойчивость и невысокое быстродействие;

- транзисторно-транзисторная логика, характерны вы­сокое быстродействие, хорошая, нагрузочная способ­ность, малая потребляемая мощность;

- эмиттерно-связанная логика, обладающая самым высоким быстродействием;

- инжекционно-интегральная логика, имеет высокое быстродействие, высокую степень интеграции и плот­ность упаковки, но низкую помехоустойчивость и ма­лый перепад логических уровней.

Базовым элементом логических интегральных мик­росхем на МДП-транзисторах также является инвертор, состоящий из транзистора и нагрузочного резистора в сто­ковой цепи, причем в качестве резистора тоже использует­ся МДП-транзистор. Такие интегральные микросхемы де­лятся на одноканальные, в которых и МДП-транзистор и МДП-резистор имеют канал одного «р» или «n»-типа, и комплементарные, в которых используется пара МДП- транзисторов с каналами разного типа. Последние пред­почтительнее, так как их отличает высокая технологич­ность, малая потребляемая⁴ мощность, высокая степень ин­теграции.