Логические элементы интегральных микросхем

Логическими элементами называют электронные схемы, выполняющие логические операции с цифровыми сигналами, имеющими два значения: логический нуль U ⁰ и логическая единица U ¹. Основными логическими операциями являются:

- логическое отрицание (инверсия, операция НЕ)

- логическое сложение (дизъюнкция, операция ИЛИ)

- логическое умножение (конъюнкция, операция И)

- логическая операция ИЛИ-НЕ

- логическая операция И-НЕ

Базовыми для построения логических элементов являются электронные ключи.

Простейшим логическим элементом является схема транзисторной логики с непосредственными связями, основанная на параллельном соединении транзисторных ключей с общей коллекторной нагрузкой (рис.5.24).

Управляющие сигналы х ₁ и х ₂ подаются на базы транзисторов VT 1 и VT 2 с коллекторов предыдущих логических элементов.

Если на входы х ₁ и х ₂ поданы сигналы U ⁰ _вх, то транзисторы VT 1 и VT 2 заперты, ток от источника через резистор R_к течет в базовую цепь транзистора VT 3 и на выходе логического элемента устанавливается напряжение U ¹ _вых ≈0,7В.

Если на одном из входов действует напряжение U ¹ _вх, то соответствующий транзистор открывается и на выходе логического элемента устанавливается напряжение U ⁰ _вых, недостаточное для отпирания транзистора VT 3, следовательно, логический элемент выполняет операцию ИЛИ-НЕ.

Более совершенным по сравнению с рассмотренным логическим элементом является элемент диодно-транзисторной логики (рис.5.25).

Эта схема состоит из двух функциональных частей: в первой входные сигналы х ₁ и х ₂ подаются на диодный элемент (диоды VD 1, VD 2, резистор R 1), выполняющий операцию И; вторая часть, выполненная на транзисторе VT 1, представляет собой инвертор. Таким образом, в схеме раздельно выполняются логические операции И и НЕ, следовательно, схема реализует логическую операцию 2И-НЕ (2 – количество входов логического элемента).

Если на один из входов подан сигнал U ⁰ _вх, то один из диодов открыт, и в схеме течет ток от источника питания через открытый диод и резистор R 1. При этом в точке А устанавливается потенциал U ≈0,7В, недостаточный для отпирания двух включенных последовательно диодов VD 3 и VD 4. В результате транзистор VТ 1 будет закрыт, и на выходе установится напряжение U ¹ _вых ≈ Е_и.п., соответствующее логической единице. В таком состоянии схема будет оставаться до тех пор, пока на оба входа х ₁ и х ₂ не будет подан сигнал U ¹ _вх, соответствующий логической единице. В этом случае диоды VD 1 и VD 2 закрываются, потенциал точки А увеличивается, став достаточным для открывания диодов VD 3 и VD 4, и в цепи течет ток от источника питания через резистор R 1, диоды VD 3 и VD 4 в базу транзистора VT 1. В результате транзистор открывается, и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения U ⁰ _вых = U_ост ≈0,1В (логический нуль), то есть в схеме выполняется операция И-НЕ.

Такие логические элементы чаще реализуют в виде гибридных ИМС. Полупроводниковые ИМС обладают существенным недостатком – большим количеством диодов. Каждый диод – это транзистор в диодном включении, нуждающийся в изолирующем кармане, а следовательно, занимающий большое место на подложке. Этот недостаток устраняется в логических элементах транзисторно-транзистрной логики.

В базовых элементах транзисторно-транзисторной логики функции диодов VD 1 и VD 2 выполняют эмиттеры многоэмиттерного транзистора, а диодов VD 3 и VD 4 – коллекторный переход. Простейшая схема элемента ТТЛ показана на рис. 5.26.

Если на вход х ₁ или х ₂ подать сигнал низкого уровня U ⁰ _вх ≈0, то ток пойдет от источника питания через резистор R 1 и открытый эмиттерный переход. Потенциал базы транзистора VТ 1 становится равным 0,7 В и распределяется между коллекторным переходом транзистора VТ 1 и эмиттерным переходом транзистора VТ 2. Этого напряжения недостаточно для отпирания транзистора VТ 2, поэтому на выходе схемы устанавливается высокий уровень напряжения U ¹ _вых ≈ Е_и.п.

Если на входах х ₁ и х ₂ действует высокий уровень сигнала U ¹ _вх, то эмиттерные переходы транзистора VТ 1 заперты, ток течет от источника через резистор R 1, коллекторный переход VТ 1 и эмиттерный переход VТ 2. Потенциал базы транзистора VТ 2 становится равным 0,7В, а потенциал точки А 1,4В. Транзистор VТ 2 отпирается, и на выходе схемы устанавливается низкий уровень напряжения U ⁰ _вых ≈0,1В.

Приведенная схема в настоящее время получила наибольшее распространение, однако и у нее есть свои недостатки. При подключении к выходу нескольких аналогичных схем получаем возрастание нагрузочной емкости, что приводит к увеличению постоянной времени заряда емкости и уменьшению быстродействия. Этот недостаток устраняют, использую в схеме транзисторно-транзисторной логики сложные инверторы.

Дата добавления: 2014-01-06