Применение логических элементов

Логические элементы могут использоваться как самостоятельные части схемы, так и входить в состав более сложной цифровой комбинационной схемы или схемы с памятью. Как самостоятельные части схемы, логические элементы могут применяться в качестве управляющей логики какого-либо устройства, а также в качестве генератора прямоугольных импульсов с подключённой ёмкостью или кварцевым резонатором. В качестве комбинационных схем логические элементы используются в составе микросхем БИС и СБИС, а также в дешифраторах и шифраторах, выполненных в виде отдельных микросхем. Также, логические элементы могут входить в состав схем с памятью (триггеры, регистры, счётчики и т.д.), выполненных в виде отдельной микросхемы или в составе других микросхем.

Рис. 16.6. Вентили и их обозначения: а- «НЕ», б – «НЕ-И», в – «НЕ-ИЛИ».

Рассмотрим логику работы схемы, изображенной на рис. 16.6-б. Она состоит из двух соединенных последовательно транзисторов. У этой схемы два входа, обозначенных на рисунке буквами р и q, и один выход. Если на входы поступают единичные значения (р=1 и q=1), то оба транзистора открыты, участок цепи с ними имеет очень маленькое сопротивление и, следовательно, как и в вентиле «НЕ», на выходе формируется значение 0. Во всех остальных случаях хотя бы один из транзисторов оказывается запертым и участок цепи с транзисторами обладает высоким сопротивлением, что приводит к формированию на выходе значения 1. Анализируя таблицу истинности работы этой схемы (табл. 16.1, четвертый столбец), приходим к выводу, что она описывается выражением . Поэтому такая схема называется вентилем «НЕ-И» («штрих Шеффера»).

Табл. 16.1. Таблица истинности базовых вентилей.

Рис. 16.6. Вентили и их обозначения: а- «НЕ», б – «НЕ-И», в – «НЕ-ИЛИ».

В схеме, изображенной на рис. 16.6-в, транзисторы соединены параллельно. Следовательно, участок цепи с транзисторами обладает высоким сопротивлением только в том случае, когда оба транзистора закрыты одновременно. Поэтому если на оба входа поступают нулевые значения (р = 0 и q = 0), на выходе формируется значение 1. Во всех остальных случаях хотя бы один из транзисторов открыт и, следовательно, весь содержащий их параллельное соединение участок цепи обладает маленьким сопротивлением. Это значит, что на выходе схемы формируется значение 0. Анализируя таблицу истинности работы этой схемы (табл. 16.1, седьмой столбец), приходим к выводу, что она описывается выражением . Поэтому такая схема называется вентилем «НЕ-ИЛИ» («стрелка Пирса»).

Вентили «НЕ», «НЕ И» и «НЕ ИЛИ», используемые для построения других вентилей и произвольных схем, считаются базовыми, а схемы, которые получаются с помощью всевозможных комбинаций базовых вентилей, принято называть цифровыми логическими схемами. Важным частным случаем цифровых схем являются комбинационные схемы, в которых значения, получаемые на выходах схемы, зависят только от значений, поступающих на ее входы. Такие схемы классифицируются также как схемы без памяти.

Вентили «И» и «ИЛИ»

Теоретически для задания любой логической функции можно обойтись только одной операцией — стрелкой Пирса или штрихом Шеффера. Таким образом, вентили «НЕ-И» и «НЕ-ИЛИ» могут рассматриваться как универсальные, из которых можно составить схему, соответствующую любому логическому выражению. Но получаемые при этом логические выражения и соответствующие им цифровые схемы оказываются чрезвычайно громоздкими и малопонятными. В то же время известно, что логические функции удобно задавать, используя три основные логические операции: отрицание, дизъюнкцию и конъюнкцию. В связи с этим целесообразно использовать в комбинационных схемах вентили, соответствующие этим операциям.

Рис. 16.7. Вентили и их условные обозначения: а – «И»; б – «ИЛИ».

Способ построения вентилей для операций конъюнкции и дизъюнкции вытекает из очевидных соотношений: и . Следовательно, соединив выходы вентилей «НЕ-И» и «НЕ-ИЛИ» со входом вентиля «НЕ», получим удобные для построения любых цифровых схем вентили «И» и «ИЛИ» операций конъюнкции и дизъюнкции соответственно. Схемы этих вентилей и их обозначения приведены на рис. 16.7. Вентили «И» и «ИЛИ» также относятся к базовым.

Отметим, что для реализации вентиля «НЕ» достаточно одного транзистора, для вентилей «НЕ-И» и «НЕ-ИЛИ» требуется по два транзистора, а для вентилей «И» и «ИЛИ» необходимо уже по три транзистора на каждую схему.

Вентиль «Исключающее ИЛИ»

Операция «Исключающее ИЛИ» оказывается полезной во многих случаях построения комбинационных схем. Опираясь на полученную ДНФ этой операции и используя базовые вентили «НЕ», «И» и «ИЛИ», довольно легко построить соответствующую схему. Для реализации выражения в первой паре скобок выход вентиля «НЕ» следует соединить с одним из входов вентиля «И». Значения p и q подаются на оставшийся свободным вход вентиля «И» и на вход вентиля «НЕ» соответственно. Таким образом, на выходе вентиля «И» получится значение выражения . Подключив вентиль «НЕ» к другому входу еще одного вентиля «И» при том же порядке подсоединения р и q, на его выходе получим выражение, находящееся во второй паре скобок, . Теперь осталось выходы вентилей «И» соединить со входами вентиля «ИЛИ». Полученная схема вентиля «Исключающее ИЛИ» и его условное обозначение приведены на рис. 16.8. Для реализации этого вентиля требуется 11 транзисторов.

Рис. 16.8. Вентиль «Исключающее ИЛИ».

Микросхемы можно разделить на несколько классов, с точки зрения количества вентилей, которые они содержат. Эта классификация очень грубая:

– МИС (малая интегральная схема) – от 1 до 10 вентилей;

– СИС (средняя интегральная схема) – от 1 до 100 вентилей;

– БИС (большая интегральная схема) – от 100 до 100 000 вентилей;

– СБИС (сверхбольшая интегральная схема) – более 100 000 вентилей.

МИС обычно содержит от двух до шести независимых вентилей, каждый из которых может использоваться отдельно. На рис. 16.6.1 изображена обычная МИС, содержащая четыре вентиля НЕ-И.

Рис. 16.6.1. МИС из четырёх вентилей.

Каждый из этих вентилей имеет два входа и один выход, что требует 12 выводов. Кроме того, микросхеме требуется питание (Vcc) и земля. Они общие для всех вентилей. На корпусе рядом с выводом 1 обычно имеется паз, чтобы можно было определить, что это вывод 1.

В настоящее время стало возможным помещать до 10 млн транзисторов на одну микросхему. Так как любая схема может быть сконструирована из вентилей И-НЕ, может создаться впечатление, что производитель способен изготовить микросхему, содержащую 5 млн вентилей И-НЕ. К несчастью, для создания такой микросхемы потребуется 15 000 002 выводов. Поскольку стандартный вывод занимает 0,1 дюйма, микросхема будет иметь в длину более 18 км, что, вероятно, отрицательно скажется на ее рыночных свойствах. Поэтому чтобы использовать преимущество данной технологии, нужно разработать такие схемы, в которых количество вентилей значительно превышает количество выводов. То есть нужно создавать такие МИС, в которых для вычисления той или иной функции несколько вентилей соединяются определенным образом между собой, что позволяет уменьшить число внешних выводов.

Дата добавления: 2014-01-07