5.3. Схемотехника базовых логических элементов

Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем. Серия микросхем – это совокупность микросхем, характеризуемая общими технологическими и схемотехническими решениями, а также уровнями электрических сигналов и напряжения питания.

Каждая серия микросхем, несмотря на то, что она обычно содержит самые разнообразные цифровые устройства, характеризуется набором параметров, дающих достаточно подробное представление об этой серии. При определении этих параметров ориентируются на базовые логические элементы – простейшие устройства серии микросхем. Базовые элементы выпускаются в виде отдельных микросхем малой степени интеграции, либо входят в состав функциональных узлов и блоков, реализованных в виде микросхем средней, большой и сверхбольшой степени интеграции.

Понятие базового логического элемента непосредственно связано с понятием функционально полной системы логических функций или базиса. Очевидно, могут быть построены простейшие логические элементы, реализующие элементарные логические функции двух переменных . Сложные логические функции могут быть построены последовательным выполнением функциональных зависимостей, связывающих пары переменных. Следовательно, имея элементы, осуществляющие элементарные операции можно выполнить любую сложную логическую операцию. Такую систему функций можно назвать полной системой или базисом. Условие наличия 16 различных типов логических элементов, каждый из которых реализует одну из 16 элементарных функций , является достаточным для синтеза логического устройства любой сложности, но оно не является необходимым, т.е. при синтезе можно ограничиться меньшим набором элементарных функций, взятых из полного набора . Как известно, с помощью логических операций конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ) и инверсии (НЕ) можно выразить любую другую из элементарных функций . Следовательно, эта совокупность логических функций образует базис. Это означает, что любая логическая функция, как бы сложна она ни была, может быть представлена через логические операции И, ИЛИ, НЕ. Другими словами, можно построить любое логическое устройство, имея лишь три типа логических элементов, выполняющих операции И, ИЛИ, НЕ. Базис И, ИЛИ, НЕ не является минимальным. Под минимальным базисом понимают такой набор функций, исключение из которого любой функции превращает полную систему функций в неполную. Из совокупности функций И, ИЛИ, НЕ можно исключить функцию И, либо функцию ИЛИ. Оставшийся набор функций будет удовлетворять свойствам базиса и будет минимальным. Таким образом, минимальный базис образует функция Шеффера (И-НЕ). Еще один минимальный базис образует функция Вебба (ИЛИ-НЕ). Именно эти базисы используются для реализации базовых логических элементов. Выбор того или иного базиса связан с тем, насколько просто, удобно и экономично выполнить логические элементы, реализующие входящие в базис функции, в зависимости от используемой элементной базы (диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы) и применяемых схемотехнических и технологических решений или так называемых логик.

По указанному признаку базовые логические элементы подразделяются на:

- реализуемые на основе биполярных транзисторов:

- - диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

- - транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

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

- - эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

- - интегральная инжекционная логика (И²Л);

- реализуемые на основе полевых транзисторов:

- - логика на основе МОП-транзисторов с каналами p-типа;

- - логика на основе МОП-транзисторов с каналами n-типа;

- - логика на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП).