Учебное пособие 800596

Элемент «Неравнозначность». На выходе элемента «Не-

равнозначность» должна быть логическая 1, если на входах присутствуют неравнозначные логические переменные 1, 0 или 0, 1.

На рис. 3.28 (а, б, в) приведены функциональные схемы и аналитические выражения элемента «Неравнозначность» в базисах И, ИЛИ, НЕ; И – НЕ и ИЛИ – НЕ, соответственно.

y x1 x2 x1x2

Рис. 3.28(а)

y x1 x2 x1 x2

Рис. 3.28(б)

61

y x1 x2 x1 x2

Рис. 3.28, в

Условное графическое обозначение элемента «Неравнозначность» имеет вид

Наращивание числа входов требует использования большего количества элементов.

Элемент «Запрет». На выходе элемента «Запрет» должна быть логическая 1, если на информационном входе присутствует

логический сигнал x1 1, а на запрещающем входе – логический

сигнал x2 0 .

Функция, реализуемая таким элементом, имеет вид

y x1 x2 .

На рис. 3.29 приведена схема элемента «Запрет», реализованная в базисе И, ИЛИ, НЕ.

Рис. 3.29

Условное графическое изображение элемента «Запрет» имеет вид

62

Запрещающий вход x2 отмечен, как инверсный – кружком.

3.4.7. Графическое изображения логических элементов

Рассмотрим принятые и используемые в настоящее время некоторые графические изображения логических элементов.

Логические функции простейших ЛЭ записываются как 2И (конъюнктор), 2ИЛИ (дизъюнктор), где цифра 2 показывает количество входов.

Логические элементы, изображенные на рис. 3.30, реализуют логические функции:

а) 2И-НЕ

б) 3ИЛИ-НЕ

в) 2-2И-2ИЛИ-НЕ

г) 2-4И-2ИЛИ-НЕ

Рис. 3.30

3.5. Базовые логические элементы основных серий цифровых ИМС

Цифровые интегральные схемы (ЦИС) выпускают сериями. ЦИС одной серии имеют единое конструктивно – технологическое исполнение. Применение ЦИС одной серии исключает необходи-

63

мость в дополнительных согласующих элементах. Большинство серий относятся к потенциальным.

Всерии может быть несколько ЦИС одного вида, различающихся, например, числом входов или нагрузочной способностью.

Разработка каждой серии ЦИС начинается с базового логического элемента – основы всех элементов, узлов и устройств серии. Обычно это элементы И – НЕ, ИЛИ – НЕ.

Внастоящее время наблюдается интенсивное развитие серии ЦИС, построенных на основе транзисторно – транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно – связной логики (ЭСЛ), МДП – логики, КМОП – логики и т.д., которые вытесняют серии резисторно – транзисторной логики (РТЛ) и диодно – транзисторной логики

(ДТЛ).

Всякая ЦИС, реализующая сложную логическую функцию, представляет совокупность элементов И – НЕ или ИЛИ – НЕ. По схемотехнической структуре эти элементы и, составляемые ими более сложные микросхемы, делятся на ряд типов. Для всех ЦИС, данных выше типов, элемент И – НЕ (ИЛИ - НЕ) является базовым.

3.5.1.Базовый ТТЛ – элемент И – НЕ

ВТТЛ – схемах базовым элементом является схема И – НЕ. На основе этой схемы можно реализовать любую логическую функцию.

Рассмотрим работу базового элемента ТТЛ – логики, реализующего логическую функцию И – НЕ:

ТТЛ схемы – это результат развития ДТЛ схем благодаря замене матриц диодов многоэмиттерным транзистором (МЭТ).

МЭТ – интегральный элемент, объединяющий свойства диодных логических схем и транзисторного усилителя. МЭТ имеет несколько эмиттеров, которые не имеют прямого взаимодействия через разъединяющий их участок пассивной базы. МЭТ аналогичен нескольким транзисторным структурам с общим коллектором, взаимодействующих друг с другом только за счет движения основных носителей заряда.

64

Кмикросхемам ТТЛ относятся серии К 131; К 155 (стан-

дартная);

К134; К 531 и К 555 (микросхемы ТТЛШ на основе диодов

Шоттки);

К1531 и К 1533 (микросхемы, в которых использованы интегральные транзисторы Шоттки с очень малым объемом коллекторной области, чем реализовано практически предельное быстродействие). Микросхемы ТТЛ взаимозаменяемы.

На рис. 3.31 приведена схема базового элемента И – НЕ стандартной серии К 155, которая активно применялась из-за широкой номенклатуры и малой себестоимости.

В микросхемах серии К 155 используется напряжение питания +5В и система кодировки:

-логическая 1 соответствует напряжению U 2,4B ;

-логический 0 соответствует напряжению U 0 0,4B .

Рис. 3.31

65

МЭТ (VT1) можно представить в виде диодной матрицы и тогда часть схемы (рис. 3.32) примет вид:

Рис. 3.32

При поступлении на все входы x1 x2 .....xn U (лог. 1) в точ-

ке А будет высокий потенциал U (лог. 1). Следовательно, на базе VT2 также будет U . Каскад на транзисторе VT2 является эмиттерным повторителем с нагрузкой VT4, то есть и в точке С (рис. 3.32) будет U . Этот потенциал введет транзистор VT4 в насыщение. Значит на коллекторе VT4, то есть на выходе ЛЭ (y) будет потенциал U 0 (лог.0).

Рассмотрим работу схем (рис. 3.31, 3.32) в случае подачи на входы x1 x2 .....xn хотя бы одного сигнала U 0 (лог. 0). При этом в

точках А и С будет U 0 (лог. 0), а потому VT4 закрыт. В точке В (рис. 3.31) будет U (лог. 1), но каскад на транзисторе VT3 также является эмиттерным повторителем, а это значит, что на эмиттере VT3 (выход y) будет U (лог. 1).

При выбранной системе кодировки схема (рис. 3.31) является схемой И – НЕ на n входов.

Влияние диода VD1 (рис. 3.31) сводится к поддержанию устойчивых состояний транзисторов VT3 и VT4.

Промышленность выпускает логический расширитель, который представляет собой часть структуры ТТЛ – элемента и может подключаться к нему в точках К и Э (рис. 3.33)

66

Рис. 3.33

При подключении расширителя логический элемент реализует функцию И – ИЛИ – НЕ.

3.5.2.Базовый КМОП – элемент ИЛИ – НЕ

ВКМОП – схемах базовыми элементами являются схемы И

–НЕ, ИЛИ – НЕ основу структуры которых составляет инвертор. Преимуществами логических КМОП – элементов являются

малая потребляемая мощность и меньшая площадь, занимаемая интегральным полевым транзистором на подложке, по сравнению с биполярным.

Однако, по сравнению с биполярным, полевой транзистор является менее быстродействующим и имеет большее сопротивление в открытом состоянии, благодаря чему остаточное напряжение на нем сравнительно велико.

67

К классу КМОП относятся, в частности, микросхемы серий К176, К564, 764, 765. Мощность потребления схем составляет десятки нановатт, быстродействие более 10 МГц.

Типовые значения напряжений логических 1 и 0, а также питания соответственно равны U 8,2В , U 0 0,3В , Епит 9В .

По существу КМОП – элемент (рис. 3.34) представляет собой делитель напряжения Епит источника питания.

Рис. 3.34

Одно плечо делителя составляют транзисторы VT1, VT2, VT3 (коммутирующие, или управляющие), другое – транзисторы VT4, VT5, VT6 (нагрузочные). В силу разной проводимости каналов транзисторов логический сигнал на входе запирает один из управляющих транзисторов и отпирает нагрузочный транзистор, или наоборот.

Например, при подаче входных сигналов x1 1,

x2 x3 0 транзистор VT1 открывается и сопротивление плеча из

управляющих транзисторов уменьшается. Одновременно запирается VT4 и сопротивление плеча, состоящего из нагрузочных транзи-

сторов, становится большим – большая часть напряжения Епит падает на нагрузочных транзисторах и на выходе элемента – потенциал U 0 (лог.0).

68

Только когда на всех входах U 0 (x	x	2	x 0)	, управ-
1			3

ляющие транзисторы заперты, а нагрузочные открыты и на выходе элемента – U (лог. 1). Данный КМОП – элемент реализует функцию ИЛИ – НЕ.

3.5.3. Параметры логических элементов

Коэффициент объединения по входу (Коб) равен числу логических входов элемента. На них поступают логические переменные, над которыми данный логический элемент осуществляет логическую операцию. Таким образом, коэффициент Коб ограничивает наибольшее число переменных функции, которую можно выполнить на одном элементе. При недостаточном количестве входов вместо одного приходится использовать несколько элементов, соединяя их определенным образом. Следовательно, устройство можно выполнить на меньшем количестве элементов, если они обладают большим коэффициентом Коб.

Коэффициент разветвления по выходу (Краз) численно равен количеству входов аналогичных элементов, которыми можно загрузить выход данного элемента. Этот коэффициент характеризует нагрузочную способность элемента и определяется структурой его выходного каскада. Чем больше коэффициент Краз, тем меньше количество элементов требуется для выполнения устройства.

Быстродействие (tз) обычно оценивают полусуммой задержек перепадов на выходе элемента относительно входных перепадов, переключающих его из состояния 1 в состояние 0 и обратно.

При этом каждая задержка измеряется между серединами перепадов.

Помехоустойчивость оценивается наибольшим напряжением помехи Uпом, действующей на входе, которое не вызывает ложного переключения элемента из 1 в 0 или наоборот. Помехоустойчивость логического элемента можно оценить по передаточной характеристике – зависимости выходного напряжения от входного.

Кроме приведенных параметров логический элемент характеризуется, в частности, уровнями логических 1 и 0 (U1 и U0), потребляемой мощностью и напряжением питания.

В таблице сведены параметры элементов серий 155 (ТТЛ), 531 (ТТЛШ), 100 (ЭСЛ), 561 (КМОП).

69

	Параметр		Тип логики
		ТТЛ	ТТЛШ	ЭСЛ	КМОП
	Напряжение питания Еп, В	5	5	-5,2	3…5
	Напряжение логической 1	2,4	2,7	-0,9	≈Еп
	U1, В
	Напряжение логического 0	0,4	0,5	-0,6	≈0
	U0, В
	Быстродействие tз, нс	20	5	2,9	50
	Помехоустойчивость Uпом,	Не ме-	Не ме-	0,2	Не ме-
	В	нее 0,4	нее 0,5		нее 0,3
					Еп
	Потребляемая мощность	22	19	35	0,1
	Рпот, мВт
	Коэффициент разветвления	10	10	15	50
	по выходу Краз
	Коэффициент объединения	8	4	9	—
	по входу Коб

3.6.Формирователи импульсных сигналов

Вимпульсной и цифровой технике применяются цепи и устройства, формирующие напряжения одной формы из напряжения другой. Такую задачу можно решить используя линейные и нелинейные элементы.

Воснову формирования импульсов с помощью линейных цепей положен принцип изменения формы входного напряжения, если линейная цепь содержит частотно – зависимый элемент (конденсатор, индуктивная катушка).

Внелинейных цепях форма входного напряжения изменяется, так как ток через нелинейный (диод, транзистор) не пропорционален приложенному напряжению.

С помощью формирователей получают остроконечные и пилообразные импульсы, импульсы трапецеидальной формы, короткие прямоугольные импульсы. Свойства линейных цепей с частотно – зависимыми элементами используются при построении дифференциальных и интегрирующих цепей и узлов, а свойства

70