Базовые логические элементы

Логическими элементами (ЛЭ) называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции.

ЛЭ используются для построения преобразователей цифровых сигналов комбинационного типа. В комбинационных устройствах отсутствует внутренняя память. Сигналы на их выходах в любой момент однозначно определяются сочетаниями сигналов на входах и не зависят от предыдущих состояний схемы. Характерной особенностью комбинационных устройств является отсутствие петель обратной связи. ЛЭ выполняются в виде микросхем различной степени сложности.

В алгебре логики оперируют фундаментальным понятием "высказывание". При этом высказывания оценивают только с точки зрения их истинности или ложности. Если высказывание истинное, то оно имеет значение истинности 1, а если ложное, то 0. Поэтому переменные в алгебре логики принимают только 2 значения: 1 или 0. Любые математические действия над логическими переменными обеспечивают получение результатов в виде 1 или 0.

ЛЭ отображают логические переменные с помощью электрических сигналов: напряжения или тока. Обычно наличие сигнала соответствует цифре 1, а его отсутствие - 0.

Высказывания бывают простыми и сложными. Если значение истинности высказывания не зависит от других высказываний, оно называется простым. Если значение истинности зависит от значений истинности составляющих его высказываний, то такое высказывание сложное. Любую логически сложную функцию, отражающую сложное высказывание, можно реализовать, используя три типа логических элементов: И, ИЛИ, НЕ.

1.2.1. Элемент И.

Логический элемент И выполняет операцию логического умножения (конъюнкция) над своими входными данными и имеет от 2 до 8 входов и один выход (как правило, выпускаются элементы с двумя, тремя, четырьмя и восемью входами). На рис. 2.1. изображены условные графические обозначения (УГО) логических элементов И с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы И обозначаются как NИ, где N - количество входов логического элемента (например, 2И, 3И, 8И и т.д.).

Рис. 2.1. Логический элемент И

1.2.2.Элемент ИЛИ.

Логический элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения (дизъюнкция) над своими входными данными и, также как и логический элемент И, имеет от 2 до 8 входов и один выход. На рис. 2.2. изображены УГО логических элементов ИЛИ с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы ИЛИ обозначаются также, как и элементы И (2ИЛИ, 4ИЛИ и т.д.).

Рис. 2.2. Логический элемент ИЛИ

1.2.3.Элемент НЕ (инвертор).

Логический элемент НЕ выполняет операцию логического отрицания над своими входными данными и имеет один вход и один выход. Иногда его называют инвертор, так как он инвертирует входной сигнал. На рис. 2.3 изображено УГО элемента НЕ.

Рис.2.3. Логический элемент НЕ

1.2.4.Элемент И-НЕ.

Логический элемент И-НЕ выполняет операцию логического умножения над своими входными данными, а затем инвертирует (отрицает) полученный результат и выдаёт его на выход. Таким образом, можно сказать, что логический элемент И-НЕ - это элемент И с инвертором на выходе. УГО элемента 3И-НЕ приведено на рис. 2.4.

Рис 2.4. Логический элемент 3И-НЕ

1.2.5.Элемент ИЛИ-НЕ.

Логический элемент ИЛИ-НЕ выполняет операцию логического сложения над своими входными данными, а затем инвертирует (отрицает) полученный результат и выдаёт его на выход. Таким образом, можно сказать, что логический элемент ИЛИ-НЕ - это элемент ИЛИ с инвертором на выходе. УГО элемента 3ИЛИ-НЕ приведено на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Логический элемент ИЛИ-НЕ

1.2.6.Элемент сложения по модулю.

Этот логический элемент выполняет логическую операцию сложения по модулю 2 и, как правило, имеет 2 входа и один выход. Такой элемент, в основном, используется в схемах аппаратного контроля. УГО элемента приведено на рис. 2.6.

Рис.2.6. Логический элемент выполняющий логическую операцию сложения по модулю 2

1.2.7.Комбинационные логические элементы.

Существуют и более сложные логические элементы, выполняющие несколько логических операций над своими входными данными. Например, элемент 2И-ИЛИ, УГО и схема которого приведено на рис. 2.7, сначала выполняет операцию логического умножения над парами операндов x1, x2 и x3, x4, а затем выполняет операцию логического сложения над полученными результатами, т.е. y = x1x2 + x3x4.

Можно придумать и более сложные комбинационные логические элементы, например 3-2И-ИЛИ-НЕ (рис. 2.8).

Рис. 2.7. Элемент 2И-ИЛИ

Рис. 2.8. Сложные комбинационные логический элемент 3-2И-ИЛИ-НЕ

1.2.8.Универсальные логические элементы.

Универсальные логические элементы могут использоваться для выполнения разнообразных операций над своими входными данными. Конкретная операция зависит от того, какие сигналы поданы на управляющие входы. Чтобы синтезировать такой универсальный логический элемент, обычно пользуются СКНФ или СДНФ, как и в синтезе комбинационных логических схем.

1.2.9.Электрические принципиальные схемы логических элементов.

При рассмотрении электрических принципиальных схем логических элементов пользуются термином тип логики. Тип логики определяет элементную базу, на которой собран логический элемент, а также отражает некоторые особенности отдельных элементов этой элементной базы и характеристики самого логического элемента.

Наиболее распространены следующие типы логик:

Тип логики ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) определяет элементную базу, на которой собран логический элемент, как состоящую преимущественно из транзисторов, причём транзисторы используются и на входе, и на выходе логического элемента (отсюда и название - транзисторно-транзисторная).

Тип логики ДТЛ (диодно-транзисторная логика) определяет элементную базу как состоящую преимущественно из транзисторов и диодов (диоды на входе, транзисторы - на выходе).

Типы логик МОП (металл-оксид-полупроводник) и КМОП определяет элементную базу как состоящую из транзисторов МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), причём микросхемы этого типа имеют очень низкую потребляемую мощность, засчёт особенностей МДП транзисторов оперировать малыми токами и имеющими очень малый ток утечки.

Рассмотрим электрические принципиальные схемы логического элемента И-НЕ с n входами - ДТЛ (рис. 2.9) и логического элемента И-НЕ с n входами - ТТЛ (рис. 2.10).

Рис.2.9. Электрические принципиальные схемы логического элемента И-НЕ с n входами – ДТЛ

Рис.2.10. Логического элемента И-НЕ с n входами – ТТЛ

На рисунках +U обозначает положительный потенциал источника питания, а -U – отрицательный.

Рассмотрим сначала работу схемы на рис. 2.9. Если к одному из входных диодов приложено напряжение логического 0, то этот диод открыт и на базу транзистора подаётся напряжение логического 0. Транзистор закрывается и на выходе y устанавливается напряжение логической 1. Только когда ко всем входным диодам будет приложено напряжение логической 1 транзистор откроется и на выходе установится напряжение логического 0. Оставшиеся каскады на транзисторах выполняют функцию усиления сигнала и инвертирования.

При подаче на вход второго транзистора напряжения логического 0, он закроется, подключив базы транзисторов оконечного каскада через резисторы к плюсу и к минусу источника питания. Один из транзисторов оконечного каскада откроется, а другой - закроется и на выходе установится напряжение логической 1. При подаче на второй транзистор напряжения логической 1, он откроется. Теперь открытый и закрытый транзисторы оконечного каскада поменяются местами и на выходе установится напряжение логического 0.

Теперь рассмотрим работу схемы на рис. 2.10. Вызывает некоторый интерес необычный транзистор на входе и схема его включения. Такие многоэмиттерные транзисторы всегда используются на входах логических элементов ТТЛ. Сам транзистор выполняет логическую операцию И. При подаче на один из входов напряжения логического нуля, транзистор открывается и, таким образом, на коллекторе устанавливается напряжение логического 0. Напряжение логической 1 будет на коллекторе только тогда, когда на всех входах будет напряжение логической 1. Подобный транзистор можно рассматривать как много n-p переходов, а соответственно, как много диодов. Таким образом такое включение транзистора в цепь эквивалентно диодной сборке на входе логического элемента И на рис. 2.9.

Основные параметры логических элементов:

Коэффициент объединения по входу Kоб - это число входов микросхемы, с помощью которых реализуется логическая функция.

Коэффициент разветвления по выходу Kраз показывает, какое число логических входов микросхемы может быть одновременно присоединено к выходу данного логического элемента.

Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигналов: при включении логического элемента , при выключении.

Дата добавления: 2014-01-06