1.4.2. Системы кодирования двоичных сигналов

Как уже указывалось, логические и арифметические двоичные переменные могут иметь только два значения (логических состояния) – LOG1 и LOG0. С другой стороны, в ключевых электронных схемах возможны два уровня электрического напряжения (тока) – высокий уровень и низкий, близкий к нулю. ГОСТом эти уровни определяются как более положительный и менее положительный логические уровни. Эти логические уровни позволяют почти идеально кодировать двоичные сигналы LOG1, LOG0. При этом соответствие между логическими уровнями (напряжения, тока) и двоичными (логическими) переменными может быть разным (прямые и инверсные сигналы, положительная и отрицательная логика). При рассмотрении цифровых устройств всегда нужно учитывать способы кодирования. Кроме того, логические состояния (LOG1, LOG0) и двоичные переменные могут быть закодированы импульсами электрического напряжения (тока).

В зависимости от способа кодирования двоичного сигнала применяют различные системы логических элементов. Наибольшее распространение получили системы потенциальных и импульсно-потенциальных элементов.

Система потенциальных элементов (СПЭ). В этой системе логическая единица кодируется высоким положительным потенциалом U¹ (рис. 1.9,а) не менее заданной величины, а логический нуль – отсутствием потенциала U⁰ (точнее потенциалом не более заданного значения). Такое кодирование значений двоичных переменных (LOG1, LOG0) соответствует положительной логике. Все предыдущие суждения о кодировании двоичного сигнала также относятся к положительной логике. И в дальнейшем будет рассматриваться только положительная логика. Однако в соответствии с ГОСТ 2.743-91 возможны и другие способы кодирования двоичных сигналов, которые рассмотрены кратко в разделе «Триггеры».

Основной особенностью СПЭ является связь элементов между собой по постоянному току (гальваническая связь), для которой не требуются реактивные элементы. Почти все ЦИС на биполярных транзисторах являются потенциальными.

Система импульсно-потенциальных элементов (СИПЭ). В этой системе часть сигналов кодируется потенциальным способом, как СПЭ, другая часть – импульсным способом, при котором логическая единица изображается положительным импульсом, а логический нуль – отсутствием импульса (обычно при логическом нуле имеется малый импульс помехи).

1.4.3. Простейшие логические элементы и логические функции

Любую сложную логическую функцию можно разложить на элементарно простые логические функции: И, ИЛИ, НЕ. Эти простые логические функции реализуются простыми логическими элементами с такими же названиями. Кроме указанных, используются еще ключи-повторители двоичного сигнала.

Многовходовая схема совпадений (конъюнктор, схема И, вентиль) реализует функцию логического умножения (операцию И). На рис. 1.12 приведены условное обозначение, двухвходовая схема совпадений на диодных повторителях, временные диаграммы работы этой схемы совпадений и таблица истинности. Сигнал на выходе (LOG1) появляется только тогда, когда имеются сигналы на всех входах. Работа такой схемы, выполняющей логическую операцию И во входной части базового элемента ДТЛ, подробно описана в разделе 1.5.

Многовходовая схема совпадений с инвертированием реализует функцию логического умножения с инвертированием (отрицанием) (операцию И-НЕ). Условное обозначение, двухвходовая схема совпадений с инвертированием, временные диаграммы и таблица истинности приведены на рис. 1.13. Схема представляет собой последо-

вательное соединение схемы И (см. рис. 1.12) и инвертора (см. рис. 1.11). Выходной сигнал схемы И инвертируется инвертором на транзисторе V. Если на всех входах присутствуют высшие потенциалы (LOG1), все диоды закрыты, транзистор инвертора V находится в насыщении и на выходе схемы нулевой потенциал – LOG0. Во всех остальных случаях на выходе высокий потенциал (LOG1).

Многовходовая схема сборки (дизъюнктор, схема ИЛИ). Реализует функцию логического сложения (дизъюнкцию, операцию ИЛИ) Y = X1 + + X2 +  + Xn. На рис. 1.14,а приведена двухвходовая (n = 2) схема ИЛИ на диодах и условное графическое обозначение (УГО) схемы, на рис. 1.14,б – схема транзисторного варианта схемы ИЛИ, на рис. 1.14,в – временные диаграммы, на рис. 1.14,г – таблица истинности.

Наличие высокого потенциала на одном из входов, например X1 (X1 = 1), открывает соответствующий диод D1, замыкает диодный ключ, и высокий потенциал (Y = 1) появляется на выходе. Остальные диоды, на входы которых не подан высокий потенциал (X2 = 0), смещены в обратном направлении (ключи разомкнуты) и не влияют на процессы в схеме. Высокий потенциал (X1 = 1) на входе транзисторной схемы (см. рис. 1.14,б) переводит транзистор V1 в режим насыщения – замыкает ключ (U_кэп  0,2 В), и высокий потенциал (Y = 1) появляется на выходе. То же самое происходит при подаче высокого потенциала на любой из входов, или на группу входов, или на все входы сразу. Таким образом, высокий потенциал на выходе (Y = 1) появляется тогда, когда хотя бы на один из входов схемы ИЛИ подан высокий потенциал. Если ни на один из входов высокий потенциал не подан (X1 = X2 = ... = Xn = 0), то все ключи разомкнуты и на выходе также низкий потенциал (Y = 0).

Рис. 1.14

Многовходовая схема ИЛИ с инвертированием. Реализует функцию логического сложения с инвертированием (операция ИЛИ-НЕ) . На рис. 1.15,а,б приведены схемы транзисторного варианта схемы ИЛИ-НЕ и ее условное графическое обозначение (УГО).

Высокий потенциал на входе X1 (X1 = 1) открывает и переводит транзистор V1 (рис. 1.15,а) или V (рис. 1.15,б) в режим насыщения (замыкает ключ). При этом напряжение на выходе не превышает 0,2 В: U_вых = = U⁰_вых  0,2 В (Y = 0). То же самое произойдет, если высокий по­тенциал будет подан на любой из входов X1, X2, X3, или на группу входов, или на все входы сразу. При низких напряжениях на всех входах транзисторы V1, V2 (см. рис. 1.15,а) или V (см. рис. 1.15,б) закрыты, ключ разомкнут. Таким образом, высокий потенциал на выходе U_вых = U¹_вых (Y = 1) появляется только тогда, когда ни на один вход не подан высокий потенциал (X1 = = X2 =  = Xn = 0). Для надежного закрывания транзисторов (особенно германиевых) в схемы на дискретных компонентах вводят источник смещения –E_см. На рис. 1.15,в приведены временные диаграммы работы схемы ИЛИ-НЕ, на рис. 1.15,г – таблица истинности.

Транзисторные варианты схем 1.14,б, 1.15,а,б предпочтитель­нее, так как в них происходит усиление сигнала и на выходе полностью восстанавливается амплитудное значение сигнала U_вых = U¹_вых. Ток выхода может во много раз превышать ток входа. В диодных схемах (см. рис. 1.14,а) сигнал на выходе уменьшается (затухает) на величину напряжения на открытом диоде (U^*): U_вых = U_вх – U^*.

Типы логик. В зависимости от схемотехнического (конструктивного) выполнения цифровые микросхемы, в том числе и логические элементы, подразделяют на несколько типов логик, которые, кроме того, отличаются еще и быстродействием, помехоустойчивостью, потреблением мощности от источника питания и др. Так, логические элементы на рис. 1.15,а, 1.12,б и 1.14,а относятся к диодной логике (ДЛ). В ЦИС ДЛ не используется. Логические элементы на рис. 1.10,б, 1.11,б, 1.14,б и 1.15,а,б относятся к резисторно-транзисторной логике (РТЛ или RTL). РТЛ широко применяется в дискретной электронике и в сериях гибридных микросхем. Логические элементы на рис. 1.13,б относятся к диодно-транзисторной логике (ДТЛ или DTL). ДТЛ использовалась в дискретной и интегральной электронике на начальном этапе ее развития. Наиболее широко в интегральных цифровых схемах используется транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ или TTL), комплиментарная логика на МОП-транзисторах – КМОП-логика (CMOS).

Базовый набор ЛЭ. Для реализации любой сложной логической функции не требуется использование всего набора простых ЛЭ, рассмотренных ранее. Из алгебры логики следует, что логическую функцию любой сложности (цифровое устройство в целом) можно реализовать при помощи только двух ЛЭ, например схемы И (Y = X1·X2) и схемы НЕ , или даже при помощи только одного ЛЭ, например схемы И-НЕ. Такой набор ЛЭ называют базовым. Кроме указанных, можно составить еще несколько базовых наборов. Например, базовым набором является и схема ИЛИ-НЕ. В каждом типе логики имеется базовый логический элемент (элементы), однако это не означает, что цифровое устройство, выполненное только на одних базовых элементах, будет оптимальным по общему количеству ЛЭ и по другим параметрам. Поэтому в каждом типе логики имеются, кроме базовых, другие ЛЭ, а также обслуживающие схемы (буферные, управляющие и др.), позволяющие создавать оптимальные по количеству элементов цифровые устройства.

При рассмотрении взаимодействия узлов в микроэлектронных ЦИС нужно учитывать, что источники смещения Е_см (закрывания) в микросхемах не вводятся. Состояния транзисторных ключей в ЦИС определяются соотношением потенциалов во входной цепи: внешнего (управляющего) U_вх, порогового U_пор, насыщения U_кн и напряжения на открытом диоде (p-n-переходе) U^*:

U_пор  0,6 В, U_кн  0,2 В, U^*  0,8 В. (1.17)