Изучение логических элементов. Исследование логических элементов

СЕРГИЕВ ПОСАД

Лабораторная работа № 1

Логические функции, ЭЛЕМЕНТЫ и схемы

Цель работы

Исследование логических функций, логических элементов и схем.

Приборы и элементы

Логический преобразователь.

Генератор слов.

Вольтметр.

Логические пробники.

Источник напряжения + 5 В.

Источник сигнала "логической единицы".

Двухпозиционные переключатели.

Двухвходовые элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ.

Микросхемы серии 74.

Краткие сведения из теории

Аксиомы алгебры логики

Переменные, рассматриваемые в алгебре логики, могут принимать только два значения - 0 или 1. В алгебре логики определены отношение эквивалентности (обозначается знаком =), операции сложения (дизъюнкции), обозначаемая знаком , умножения (конъюнкции), обозначаемая знаками &, или точкой, и отрицания (или инверсии), обозначаемая надчеркиванием или апострофом ".

Алгебра логики определяется следующей системой аксиом:

x = 1, если x 0; x = 0, если x 1;

0&0 = 0; 1 1 = 1

1&1 = 1; 0 0 =0;

1&0 = 0&1 = 0; 0 1 = 1 0 = 1;

Логические выражения

Запись логических выражений обычно осуществляют в конъюнктивной или дизъюнктивной нормальных формах. В дизъюнктивной форме логические выражения записываются как логическая сумма логических произведений, в конъюнктивной форме – как логическое произведение логических сумм. Порядок действий такой же, как и в обычных алгебраических выражениях. Логические выражения связывают значение логической функции со значениями логических переменных.

Логические законы и тождества

При преобразованиях логических выражений используются следующие логические законы и тождества

Логические функции

Любое логическое выражение, составленное из n переменных с помощью конечного числа операций алгебры логики, можно рассматривать как некоторую функцию n переменных. Такую функцию называют логической. В соответствии с аксиомами алгебры логики функция может принимать в зависимости от значения переменных значение 0 или 1. Функция n логических переменных может быть определена для 2 n значений переменных, соответствующих всем возможным значениям n-разрядных двоичных чисел Основной интерес представляют следующие функции двух переменных х и у

f 1 (x,y) = x & y = x y = x – логическое умножение (конъюнкция),

f 2 (x,y) = x y – логическое сложение (дизъюнкция),

f 3 (x,y) = = – штрих Шеффера,

f 4 (x,y) = = – стрелка Пирса,

f 5 (x,y) = x y = – сложение по модулю 2,

f 6 (x,y) = – равнозначность.

Логические схемы

Физическое устройство, реализующее одну из операций алгебры логики или простейшую логическую функцию, называется логическим элементом. Схема, составленная из конечного числа логических элементов по определенным правилам, называется логической схемой. Основным логическим функциям соответствуют выполняющие их схемные элементы.

Таблица истинности

Так как область определения любой функции n переменных конечна (2 n значений), такая функция может быть задана таблицей значений f(i), которые она принимает в точках i, где i= 0,…,2 n -1. Такие таблицы называют таблицами истинности. В таблице 1 представлены таблицы истинности, задающие указанные выше функции.

Таблица 1

Карты Карно

Если число логических переменных не превышает 5-6, преобразования логических уравнений удобно производить с помощью карт Карно. Цель преобразований - получение компактного логического выражения (минимизация). Минимизацию производят объединением соседних наборов (термов). Объединяемые наборы должны иметь одинаковые значения функции (все 0 или все 1). Для наглядности рассмотрим пример: пусть требуется найти логическое выражение для мажоритарной функции f m трех переменных x, у, z, описываемой таблицей истинности, показанной в Таблице 2.

Таблица 2

Мажоритарная функция

Здесь номер строки равен числу i= 2 2 x+2 1 y+2 0 z, образованному значениями переменных.

Составим карту Карно. Она представляет собой нечто похожее на таблицу, в которой наименования столбцов и строк представляют собой значения переменных, причем переменные располагаются в таком порядке, чтобы при переходе к соседнему столбцу или строке изменялось значение только одной переменной. Например, в строке xy таблицы 3 значения переменных xy могут быть представлены следующими последовательностями 00,01,11,10 или 00,10,11,01. Таблицу заполняют значениями функции, соответствующими комбинациям значений переменных. Полученная таким образом таблица выглядит, как показано ниже (таблица 3).

Таблица 3

Карта Карно

мажоритарной функции

xy z	00	01	11	10
0	0	0	1	0
1	0	1	1	1

На карте Карно отмечаем группы, состоящие из 2 k соседних ячеек (2,4,8,) и содержащие 1, так как они описываются простыми логическими выражениями. Три овала в таблице определяют логические выражения xy, xz, yz. Каждый овал, объединяющий две ячейки, соответствует логическим преобразованиям:

Компактное выражение, описывающее функцию, представляет собой дизъюнкцию полученных при помощи карт Карно логических выражений. В результате получаем выражение в дизъюнктивной нормальной форме

f m = xy v xz v yz .

Если объединять 0, то получим выражение в конъюнктивной нормальной форме

f m = (x v y)(x v z)(y v z).

При реализации мажоритарной функции трех логических переменных получим схему, которая при подаче на ее входы трех сигналов сформирует на выходе сигнал, равный сигналу на большинстве входов (2 из 3 или 3 из 3). Эта схема применяется для восстановления истинного значения сигналов, поступающих на 3 входа, если возможна ошибка на одном из входов.

Для реализации этой функции на элементах 2И-НЕ необходимо провести следующие преобразования:

Для ДНФ получилось более простое выражение, поэтому его и следует реализовать. Соответствующая схемная реализация приведена на рис. 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Данный набор позволяет изучить логику работы основных типов логических элементов. Набор размещается в укладке представляющей собой черный пластиковый ящик размером 200 х 170 х 100 мм

В укладке располагается четыре модуля стандартного размера 155 х 95 х 30 мм. Кроме этого там должны быть соединительные провода, но в экземпляре, с которым имел дело автор, они отсутствовали, но, сохранилось руководство по эксплуатации .

Логический элемент И

Первый модуль это логический элемент И , на его выходе сигнал появляется только при условии того, что сигнал приходит на оба его информационных входа.

Стандартный модуль представляет собой печатную плату, которая сверху закрыта прозрачной пластиковой крышкой, укрепленной на двух винтах.

Модуль легко разбирается, что позволяет подробно рассмотреть печатную плату устройства. С тыльной стороны печатные проводники закрыты непрозрачной пластиковой крышкой.

Логический элемент ИЛИ

Практически аналогично устроен логический элемент ИЛИ , на его выходе сигнал появляется при условии прихода сигнала на любой из его информационных входов.

Логический элемент НЕ

Логический элемент НЕ . Сигналы на входе и выходе этого элемента всегда имеют противоположные значения.

Триггер

Триггер - логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями, используется как основа для всевозможных устройств требующих хранения информации.

В целом данный набор по цифровой электроники аналогичен комплекту «Электронный усилитель». Разумеется, представленный в наборе вариант реализации логических элементов далеко не является единственным. По сути, здесь логические элементы реализованы, так как это делалось в 60-е годы XX века. В данном случае важно то, что при работе с данным набором можно непосредственно изучить простейший схемотехнический пример лежащий в самой основе цифровой полупроводниковой электроники. Таким образом, отдельный логический элемент перестает быть «черным ящиком», который работает на чистой магии. Хорошо видимая и одновременно защищенная электрическая схема, это как раз то, что нужно для изучения основ электроники. Автор обзора - Denev.

Цель работы – Практическое изучение логических элементов, реализующих элементарные функции алгебры логики (ФАЛ ). Экспериментальное исследование логических элементов, построенных на отечественных микросхемах серии К155, К561.

1. Краткие теоретические сведения

1.1. Математической основой цифровой электроники и вычислительной техники является алгебра логики или булева алгебра (по имени английского математика Джона Буля).

В булевой алгебре независимые переменные или аргументы (X) принимают только два значения: 0 или 1. Зависимые переменные или функции (Y) также могут принимать только одно из двух значений: 0 или 1. Функция алгебры логики (ФАЛ) представляется в виде:

Y = F (X 1 ; X 2 ; X 3 ... X N).

Данная форма задания ФАЛ называется алгебраической.

1.2. Основными логическими функциями являются:

Логическое отрицание (инверсия)

Логическое сложение (дизьюнкция)

Y = X 1 + X 2 или Y = X 1 V X 2 ;

Логическое умножение (коньюнкция)

Y = X 1 ·X 2 или Y = X 1  X 2 .

К более сложным функциям алгебры логики относятся:

Функция равнозначности (эквивалентности)

Y = X 1 ·X 2 +
или Y = X 1 ~ X 2 ;

Функция неравнозначности (сложение по модулю два)

Y =
+
или Y = X 1 X 2 ;

Функция Пирса (логическое сложение с отрицанием)

Y =
;

Функция Шеффера (логическое умножение с отрицанием)

Y =
;

1.3. Для булевой алгебры справедливы следующие законы и правила:

Распределительный закон

X 1 (X 2 + X 3) = X 1 ·X 2 + X 1 ·X 3 ,

X 1 + X 2 ·X 3 = (X 1 + X 2) (X 1 + X 3) ;

Правило повторения

X·X = X , X + X = X ;

Правило отрицания

X·= 0 , X += 1 ;

Теорема де Моргана: Чтобы получить дополнительную булеву функцию, инвертируйте каждую переменную и замените И на ИЛИ

=
,
=
;

Тождества

X·1 = X, X + 0 = X, X·0 = 0 , X + 1 = 1.

1.4. Схемы, реализующие логические функции, называются логическими элементами. Основные логические элементы имеют, как правило, один выход (Y) и несколько входов, число которых равно числу аргументов (X 1 ; X 2 ; X 3 ... X N). На электрических схемах логические элементы обозначаются в виде прямоугольников с выводами для входных (слева) и выходных (справа) переменных. Внутри прямоугольника изображается символ, указывающий функциональное назначение элемента.

На рис. 2.1  2.10 представлены логические элементы, реализующие рассмотренные ниже функции. Там же представлены так называемые таблицы состояний или таблицы истинности, описывающие соответствующие логические функции в двоичном коде в виде состояний входных и выходных переменных. Таблица истинности является также табличным способом задания ФАЛ.

На рис. 2.1 представлен элемент “НЕ.

Рисунок 2.1. Элемент “НЕ”, реализующий функцию логического отрицания Y =

Элемент “ИЛИ” (рис. 2.2) и элемент “И” (рис. 2.3) реализуют функции логического сложения и логического умножения соответственно.

Рисунок 2.2

Рисунок 2.3

Функции Пирса и функции Шеффера реализуются с помощью элементов “ИЛИ-НЕ” и “И-НЕ”, представленных на рис. 2.4 и рис. 2.5 соответственно.

Рисунок 2.4

Рисунок 2.5

Элемент Пирса можно представить в виде последовательного соединения элемента “ИЛИ” и элемента “НЕ” (рис. 2.6), а элемент Шеффера – в виде последовательного соединения элемента “И” и элемента “НЕ” (рис. 2.7).

На рис. 2.8 и рис. 2.9 представлены элементы “Исключающее ИЛИ” и “Исключающее ИЛИ - НЕ”, реализующие функции неравнозначности и неравнозначности с отрицанием соответственно.

Рисунок 2.8

Рисунок 2.9

1.5. Логические элементы, реализующие операции коньюнкции, дизьюнкции, функции Пирса и Шеффера, могут быть, в общем случае, n - входные. Так, например, логический элемент с тремя входами, реализующий функцию Пирса, имеет вид, представленный на рис. 2.10.

Рисунок 2.10

В таблице истинности (рис. 2.10) в отличие от таблиц (рис. 2.4) имеется восемь значений выходной переменной Y. Это количество определяется числом возможных комбинаций входных переменных N, которое, в общем случае, равно: N = 2 n , где n - число входных переменных.

1.6. Логические элементы используются для построения интегральных микросхем, выполняющих различные логические и арифметические операции и имеющих различное функциональное назначение. Микросхемы типа К155ЛН1 и К155ЛА3, например, имеют в своем составе шесть инверторов и четыре элемента Шеффера соответственно (рис. 2.11), а микросхема К155ЛР1 содержит элементы разного вида (рис. 2.12).

Рисунок 2.11

Рисунок 2.12

1.7. Функции алгебры логики любой сложности можно реализовать с помощью указанных логических элементов. В качестве примера рассмотрим ФАЛ, заданную в алгебраической форме, в виде:

Упростим данную ФАЛ, используя вышеприведенные правила. Получим:

(2)

Проведенная операция носит название минимизации ФАЛ и служит для облегчения процедуры построения функциональной схемы соответствующего цифрового устройства.

Функциональная схема устройства, реализующая рассматриваемую ФАЛ, представлена на рис. 2.13.

Рисунок 2.13

Следует отметить, что полученная после преобразований функция (2) не является полностью минимизированной. Полная минимизация функции проводится студентами в процессе выполнения лабораторной работы.

Оборудование: Лабораторный стенд ЛКЭЛ – 4М 08 «Цифровая и цифро-аналоговая схемотехника»

2.1. Исследовать особенности функционирования логических элементов НЕ, 2ИЛИ, 2И, 2И-НЕ, 3И-НЕ, расположенных на панели стенда. Для исследования элемента НЕ, расположенного в левой части монтажного поля сигнал на вход подавать путем нажатия на черную кнопку. При этом свечение красного светодиода говорит о наличии «1» на входе и соответственно «0» на выходе. Для исследования остальных элементов за входной сигнал, как вариант, взять сигнал с гнезда, расположенного рядом со светодиодом. Построить таблицу истинности для каждого элемента, взяв за образец таблицу 1. Для измерений состояний и значений напряжений входа и выхода использовать осциллограф (вольтметром, расположенным на стенде).

2.1.1. Минимизировать функцию (2) используя различные варианты (можно один), разработать схему, исходя из наличия элементов на панели стенда, и реализовать ее на панели стенда. Результаты занести в таблицу 2.

2.1.2. По результатам исследований (п. 2.1.1) определить функциональное назначение элементов и проставить их обозначение на схеме в лабораторном отчете.

Название и цель работы.

Схема выполнения экспериментов.

Заполненные таблицы 2.1 и 2.2.

Результаты измерений U 0 и U 1 (п. 2.1).

Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы.

Какими значениями переменных оперирует алгебра логики?

Основные формы задания ФАЛ.

Вид основных логических функций в алгебраической форме.

Что такое “логический элемент”?

Какие логические функции выполняют элементы Пирса и Шеффера?

Чем определяется число возможных комбинаций входных переменных для произвольного логического элемента?

Дать определение СДНФ, СКНФ.

Таблица 2.1 Таблица 2.2

Электрическая схема, предназначенная для выполнения какой-либо логической операции с входными данными, называется логическим элементом. Входные данные представляются здесь в виде напряжений различных уровней, и результат логической операции на выходе - также получается в виде напряжения определенного уровня.

Операнды в данном случае подаются - на вход логического элемента поступают сигналы в форме напряжения высокого или низкого уровня, которые и служат по сути входными данными. Так, напряжение высокого уровня - это логическая единица 1 - обозначает истинное значение операнда, а напряжение низкого уровня 0 - значение ложное. 1 - ИСТИНА, 0 - ЛОЖЬ.

Логический элемент - элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, независимо от их физической природы, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов.

Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два (обычно инверсных друг другу) выхода. Значения «нулей» и «единиц» выходных сигналов логических элементов определяются логической функцией, которую выполняет элемент, и значениями «нулей» и «единиц» входных сигналов, играющих роль независимых переменных. Существуют элементарные логические функции, из которых можно составить любую сложную логическую функцию.

В зависимости от устройства схемы элемента, от ее электрических параметров, логические уровни (высокие и низкие уровни напряжения) входа и выхода имеют одинаковые значения для высокого и низкого (истинного и ложного) состояний.

Традиционно логические элементы выпускаются в виде специальных радиодеталей - интегральных микросхем. Логические операции, такие как конъюнкция, дизъюнкция, отрицание и сложение по модулю (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ) - являются основными операциями, выполняемыми на логических элементах основных типов. Далее рассмотрим каждый из этих типов логических элементов более внимательно.

Логический элемент «И» - конъюнкция, логическое умножение, AND

«И» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход.

Условные обозначения логических элементов «И» с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент «И» с тем или иным числом входов обозначается как «2И», «4И» и т. д. - элемент «И» с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.

Таблица истинности для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль.

На западных схемах значок элемента «И» имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах - прямоугольник с символом «&».

Логический элемент «ИЛИ» - дизъюнкция, логическое сложение, OR

«ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Он так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ и т. д.

Таблица истинности для элемента «2ИЛИ» показывает, что для появления на выходе логической единицы, достаточно чтобы логическая единица была на первом входе ИЛИ на втором входе. Если логические единицы будут сразу на двух входах, на выходе также будет единица.

На западных схемах значок элемента «ИЛИ» имеет закругление на входе и закругление с заострением на выходе. На отечественных схемах - прямоугольник с символом «1».

Логический элемент «НЕ» - отрицание, инвертор, NOT

«НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического отрицания. Данный элемент, имеющий один выход и только один вход, называют еще инвертором, поскольку он на самом деле инвертирует (обращает) входной сигнал. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «НЕ».

Таблица истинности для инвертора показывает, что высокий потенциал на входе даёт низкий потенциал на выходе и наоборот.

На западных схемах значок элемента «НЕ» имеет форму треугольника с кружочком на выходе. На отечественных схемах - прямоугольник с символом «1», с кружком на выходе.

Логический элемент «И-НЕ» - конъюнкция (логическое умножение) с отрицанием, NAND

«И-НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Другими словами, это в принципе элемент «И», дополненный элементом «НЕ». На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2И-НЕ».

Таблица истинности для элемента «И-НЕ» противоположна таблице для элемента «И». Вместо трех нулей и единицы - три единицы и ноль. Элемент «И-НЕ» называют еще «элемент Шеффера» в честь математика Генри Мориса Шеффера, впервые отметившего значимость этой в 1913 году. Обозначается как «И», только с кружочком на выходе.

Логический элемент «ИЛИ-НЕ» - дизъюнкция (логическое сложение) с отрицанием, NOR

«ИЛИ-НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Иначе говоря, это элемент «ИЛИ», дополненный элементом «НЕ» - инвертором. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2ИЛИ-НЕ».

Таблица истинности для элемента «ИЛИ-НЕ» противоположна таблице для элемента «ИЛИ». Высокий потенциал на выходе получается лишь в одном случае - на оба входа подаются одновременно низкие потенциалы. Обозначается как «ИЛИ», только с кружочком на выходе, обозначающим инверсию.

Логический элемент «исключающее ИЛИ» - сложение по модулю 2, XOR

«исключающее ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения по модулю 2, имеет два входа и один выход. Часто данные элементы применяют в схемах контроля. На рисунке приведено условное обозначение данного элемента.

Изображение в западных схемах - как у «ИЛИ» с дополнительной изогнутой полоской на стороне входа, в отечественной - как «ИЛИ», только вместо «1» будет написано «=1».

Этот логический элемент еще называют «неравнозначность». Высокий уровень напряжения будет на выходе лишь тогда, когда сигналы на входе не равны (на одном единица, на другом ноль или на одном ноль, а на другом единица) если даже на входе будут одновременно две единицы, на выходе будет ноль - в этом отличие от «ИЛИ». Данные элементы логики широко применяются в сумматорах.

Транзистор - это компонент из полупроводникового материала, который позволяет управлять достаточно большим электрическим током в цепи за счет изменения тока более малой величины на управляющем электроде.

Существуют биполярные и полевые транзисторы. Различаются они тем, что в биполярном транзисторе перенос зарядов осуществляется как основными, так и неосновными носителями зарядов - дырками и электронами. В полевых транзисторах перенос зарядов осуществляется только одним типом носителей.

Синтез и исследование элементов на транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ). Схемы ТТЛ базируются на биполярных транзисторах npn-структуры. Биполярные транзисторы имеют такое название от того, что перенос зарядов в них осуществляется двумя типами носителей - электронами и дырками. Базовым элементом данной технологии является схема И-НЕ. Логическое умножение осуществляется за счет свойств многоэмиттерного транзистора.

Элемент ИЛИ-НЕ.

Реализация логического элемента ИЛИ-НЕ на биполярных транзисторах представлена на рисунке 1.1.

Логическую функцию ИЛИ-НЕ можно выразить функции И и НЕ с помощью правил де Моргана: отрицание дизъюнкции есть конъюнкция отрицаний. На схема имеется два инвертора VT1 и VT2 на которые подаются с помощью ключей и напряжения противоположных полярностей. При подаче логического нуля на оба входа («земля») происходит разряжение в p-области транзистора, он становится закрытым, при этом ток начинает течь через транзисторы VT3, VT4, которые выполняют функцию И, уровень напряжения достаточен для обеспечения логической единицы. Если хотя бы на один вход будет подана логическая единица («плюс»), то произойдёт падение напряжение на одном из выходов инверторов, напряжения на выходе И не будет достаточно для обеспечения логической единицы.

Рисунок 1.1 - Логический элемент ИЛИ-НЕ на биполярных транзисторах

Рисунок 1.2 - на входы элемента ИЛИ-НЕ поданы логические нули

На рисунке 1.2 представлен вариант работы транзисторной схемы, когда на входы поданы логические нули, в результате на выходе будет значение логической единицы.

Элемент ИЛИ-НЕ рождает следующую таблицу истинности (см. таб. 1.1):

Таблица 1.1 - Таблица истинности элемента ИЛИ-НЕ

Элемент НЕ.

Элемент НЕ на ТТЛ представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Логический инвертор (логическая функция НЕ)

При установке переключателя на сторону «плюса», течёт малый эмиттерный ток, этот ток позволяет открыть транзистор, происходит падение напряжения и индикатор не загорается, что соответствует логическому нулю. При установке ключа на сторону «земли», происходит расширение закупоривающего слоя, сопротивление транзистора становится много больше сопротивления резистора, транзистор закрыт, падения напряжения не происходит, что соответствует логической единице.

Таблица истинности элемента НЕ (см. таб. 1.2).

Таблица 1.2 - Таблица истинности элемента НЕ

При подаче логических единиц путём замыкания ключей и через транзисторы около этих ключей протекает достаточный ток и на входе в инвертирующий транзистор поступает достаточное напряжение для его открытия, ток свободно течёт, сопротивление инвертирующего транзистора невелико, напряжение падает на резисторе при инверторе, на выходе логический нуль.

При подаче на ключи или единицы или нуля, или обоих нулей, выходного напряжения в инвертор не достаточно для его открытия, его сопротивление велико и на его коллекторе образуется высокий уровень напряжения, на выходе логический нуль.

Схема элемента И-НЕ со сложным инвертором представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Элемент И-НЕ со сложным инвертором

Таблица истинности для данного элемента соответствует таблице 1.3.

Данный элемент состоит из трёх каскадов: входной (R1, VT1,VT2 - модель многоэмиттерного транзистора), фазоинверсный (VT3, R2, R4) и выходной усилитель (VT4, VT5, VD3, R3).

При подаче на входы x 1 и x 2 логических единиц возникает коллекторный ток на транзисторах VT1,VT2 и втекает в базу транзистора VT3, открывая его. Часть тока эмиттера VT3 поступает в транзистор VT5, он открывается, на выходе y устанавливается низкий уровень напряжения, при этом VT4 закрыт (недостаточно напряжения через переход база-эмиттер VT4 и VD1). При подаче хотя бы одного логического нуля, коллекторный ток транзисторов VT1, VT2 прекращается, VT3 и VT5 закрываются, VT4 открывается. Так как VT5 закрыт на выходе образовывается высокий уровень напряжения.

Синтез и исследование элементов на МДП-транзисторах.

Развитие компьютерной схемотехники на основе МОП-транзисторов началось с появлением в 1962 г. полевого транзистора с индуцированным каналом. Схемы на МОП-транзисторах характеризуются относительной простотой изготовления, компактностью, малой потребляемой мощностью, высокой помехоустойчивостью к изменению напряжения питания. МОП-транзисторы имеют структуру: металл-диэлектрик-полупроводник и в общем случае называются МДП-транзисторами. Поскольку диэлектрик реализуется на основе оксида SiO 2 , то применяют название МОП-транзисторы (униполярные, канальные). Металлический электрод, на который поступает управляющее напряжение, называется затвором (З) а два других электрода -- истоком (И) и стоком (С). От истока к стоку протекает рабочий ток. Для р-канала полярность стока отрицательная, а для п-канала -- положительная. Основная пластина полупроводника называется подкладкой (П). Канал -- это приповерхностный проводящий слой между истоком и стоком, в котором величина тока определяется с помощью электрического поля.

Процессы инжекции и диффузии в канале отсутствуют. Рабочий ток в канале обусловлен дрейфом в электрическом поле электронов в n-каналах и дырок в р-каналах.

При нулевом значении управляющего напряжения канал отсутствует и ток не протекает. Канал, который образуется под действием внешнего управляющего напряжения, называется индуцированным. Напряжение, при котором образуется канал, называется пороговым. Канал с начальной дополнительной концентрацией зарядов называется встроенным. Быстродействие n-МОП транзисторов в 5-8 раз выше быстродействия р-МОП транзисторов, поскольку подвижность электронов существенно больше дырок. В МОП-схемах полностью исключены резисторы, их роль выполняют МОП-транзисторы.

Элемент ИЛИ-НЕ,.

Схема элемента ИЛИ-НЕ изображена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Элемент ИЛИ-НЕ на МОП-транзисторах

Транзистор VT1 выполняет роль резистора так как МОП-транзисторы обладают высоким сопротивлением, для того, чтобы он пропускал ток, исток подключен к положительному полюсу источника. При одновременной подаче на транзисторы VT2 и VT3 логических нулей, происходит их закрытие, они создают нагрузку после транзистора VT1, уровень этого напряжения соответствует логической единице. Таблица истинности данного элемента соответствует таблице 1.1. Если на вход будет подана хотя бы одна или обе логических единиц, один из транзисторов VT2 и VT3 (или оба) откроются, произойдет спад напряжения, на выходе буде логический ноль.

Элемент И-НЕ.

Элемент И-НЕ представлен на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Элемент И-НЕ на МОП-транзисторах

Элемент ИЛИ.

Элемент И.

Синтез и исследование элементов на КМДП структурах.

Элемент ИЛИ-НЕ.

Элемент И-НЕ.

Синтез и исследование элементов на основе эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ).

Схемотехника элементов ЭСЛ основана на использовании дифференциального усилителя в режиме переключения тока. Элементы ЭСЛ появились в 1967 г. и в настоящее время являются самыми быстродействующими среди полупроводниковых элементов на основе кремния. Задержки распространения сигналов в элементах ЭСЛ уменьшились до субнаносекундного диапазона (приблизительно 1 нс).

Сверхбыстродействие элементов ЭСЛ достигается за счет использования ненасыщенного режима работы транзисторов, выходных эмиттерных повторителей, малых амплитуд логических сигналов (около 0,8 В). В логических элементах ЭСЛ имеется парафазный выход, что позволяет одновременно получать прямое и инверсное значение реализуемой функции. Это дает заметное снижение общего количества микросхем в аппаратуре.

Особенностями схемотехники ЭСЛ и ее характеристик являются:

Возможность объединения выходов нескольких элементов для образования новых функций;

Возможность работы на низкоомную нагрузку благодаря наличию эмиттерных повторителей;

Небольшое значение работы переключения и независимость потребляемой мощности от частоты переключения;

Высокая стабильность динамических параметров при изменении температуры и напряжения питания;

Использование отрицательного источника питания и заземления коллекторных цепей, что уменьшает зависимость выходных сигналов от помех в шинах питания.

К недостаткам элементов ЭСЛ относят сложность схем, значительное потребление мощности и трудности согласования с микросхемами ТТЛ и ТТЛШ.

Элемент И.

Элемент ИЛИ.

Элемент И-НЕ.

Элемент ИЛИ-НЕ.

Синтез и исследование элемента НЕ на МДП-транзисторах () в положительной и отрицательной логике.