Логические элементы

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации — вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения.

Логическая операция преобразует по определенным правилам входную информацию в выходную. Логические элементы чаще всего строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» («логический нуль») и «1» («логическая единица»), соответствующие двум состояниям ключа.

Логические элементы обычно выполняют на полупроводниковых приборах, а в последнее время — на интегральных микросхемах.

В зависимости от вида используемых сигналов логические элементы делят на потенциальные и импульсные. В потенциальных элементах логические «0» и «1» представляются двумя разными уровнями электрического потенциала, а в импульсных — наличием или отсутствием импульсов. Наибольшее распространение получили потенциальные элементы.

Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

1)логическое сложение (дизъюнкцию), либо операцию ИЛИ, обозначаемую знаками «V» или «+».

Логические элементы, реализующие операцию ИЛИ, называют элементами

ИЛИ и обозначают на функциональных схемах, как показано на рис.237.

Рис. 237 Рис. 238 Рис.239

Выходной сигнал F элемента ИЛИ равен единице, если хотя бы на один из n входов подан сигнал «1».

2)логическое умножение (конъюнкцию), либо операцию И, обозначаемую знаками «Λ», «-» или написанием переменных рядом без знаков разделения.

Логические элементы, реализующие операцию И, называют элементами И, либо схемами совпадения и обозначают, как показано на рис.238. Выходной сигнал F элемента И равен единице, если одновременно на все n входов подан сигнал «1».

3) логическое отрицание (инверсию), либо операцию НЕ, обозна­чаемую чертой над переменной:

Операция НЕ реализуется логическим элементом НЕ или инвертором, обозначение которого приведено на рис.239. Логический элемент ЗАПРЕТ имеет в простейшем случае лишь два входа, называемые разрешающим (вход Х1) и запрещающим (вход Х2).

Выходной сигнал повторяет сигнал на разрешающем входе Х1 если Х2 = 0. При Х2 = 1 на выходе возникает сигнал «0» независимо от значения X1. Стандартное условное обозначение элемента ЗАПРЕТ приведено на рис.154.

Рис.240

Простейшие логические элементы И и ИЛИ могут быть построены на основе диодных ключей. В качестве элемента НЕ обычно служит транзисторный ключ, обладающий инвертирующими свойствами.

В зависимости от компонентов, из которых построены логические элементы И или ИЛИ, различают четыре типа логических элементов (четыре типа «логики»):

1. резисторно-транзисторные (РТЛ);

2. диодно-транзисторные (ДТЛ);

3. транзисторно-транзисторные (ТТЛ);

4. транзисторные (ТЛ).

В логических элементах первых трех типов при выполнении логических операций в силу особенности применяемых схем происходит ослабление сигналов, поэтому на их выходах обычно включают транзисторные ключи, которые компенсируют это ослабление благодаря своим усилительным свойствам. Таким образом достигается нормализация логических уровней, т.е. доведение выходного напряжения до установленного (нормального) уровня.

В логических элементах четвертого типа транзисторы, используемые для выполнения операций И и ИЛИ, работают в режиме усиления напряжения, поэтому нормализации логических уровней не требуется. Поскольку в настоящее время логические элементы выполняют в основном на интегральных микросхемах, в дальнейшем приводятся именно такие варианты логических элементов.

Диодные логические элементы представляют собой диодные последовательные ключи, имеющие n входов.

Рис. 241Схема гибридной тонкопленочной диодной сборки типа К217ЛП3

На рис.241 приведена схема диодной сборки типа К217ЛП3, которая может быть использована как два элемента И либо ИЛИ. При включении по схема рис.242 диодная сборка (приведена половина сборки) служит элементом ИЛИ, если кодирование, сигналов соответствует рис.242

Рис.242 лючение диодной сборки типа К217ЛП3 по схеме логического элемента ИЛИ (а) и кодирование ее сигналов (б)

Действительно, при воздействии сигнала «1» (-Е) хотя бы на один вход (например, Х1 = 1) открывается соответствующий диод (Д1) и выход соединяется с входом

(F =1). Остальные диоды закрыты, т. е. выходной сигнал не попадает на входы, на которых Uвх = 0.

Для получения логического элемента И диодную сборку включают по схеме рис. 7, а, если кодирование сигналов соответствует рис.243.

Рис.243. Включение диодной сборки типа К217ЛП3 по схеме логического элемента И (а) и кодирование ее сигналов (б).

Действительно, при сигнале «0» на всех входах все диоды открыты, в них и в резисторе R появляются токи, создаваемые источником э. д. с. Е и замыкающиеся через источники сигналов, подключенные ко всем входам. Поскольку сопротивление резистора R значительно больше прямого сопротивления диодов, напряжение на выходе оказывается близким к нулю.

Если напряжение на одном из входов соответствует логической «1» (Е > Е1), то соответствующий диод закрывается, однако остальные диоды открыты и на выходе по-прежнему имеется сигнал «0». Сигнал «1» появится на выходе только тогда, когда на все входы будет воздействовать сигнал «1», все диоды окажутся закрытыми, ток через резистор будет равен нулю и Uвых = Е1.

Диодная сборка типа К2ЛП173 хотя и относится к серии 217 гибридных тонкопленочных ДТЛ-элементов, но не содержит транзисторов. Для выполнения операций И — НЕ/ИЛИ — НЕ используют микросхему типа К217ЛБ1 (рис. 244).

Рис.244. Схема ДТЛ-элемента И-НЕ/ИЛИ-НЕ типа К217ЛБ1

Операции И/ИЛИ осуществляют диодной частью схемы (Д1 — Д8, R1), а транзисторный каскад с общим эмиттером служит инвертором. Для связи логического элемента И/ИЛИ с инвертором служат последовательно включенные диоды Д9, Д10, обеспечивающие надежное запирание транзистора при невысоком но положительном потенциале точки А, соответствующем логическому «0» элемента И/ИЛИ. Потенциал базы транзистора в этом случае ниже потенциала точки А на величину суммы прямых напряжений диодов Д9 и Д10 и достаточен для запирания транзистора. Микросхема осуществляет операцию И/НЕ при кодировке, показанной на рис. 243, б (0», «1»). Действительно, при сигнале «0» на всех входах все диоды открыты, потенциал точки А близок к нулю. Транзистор закрыт, на выходе потенциал близок к +Е (сигнал «1»). Потенциал точки А и выходной сигнал не изменяются до тех пор, пока на все входы не будет подан сигнал «1».

Тогда диоды Д1 — Д8 закроются, потенциал точки А повысится до +Е1 транзистор перейдет в режим насыщения и на выходе потенциал понизится до значения «О». Для сигнала «О» элемент рис. 8 реализует операцию ИЛИ — НЕ, поскольку на выходе элемента появляется сигнал «1» при воздействия сигнала «0» хотя бы на один из входов.

Более высоким быстродействием по сравнению о ДТЛ-элементами обладают ТТЛ-элементы.

Рис.245. Схема ТТЛ-элемента И—НЕ с простым инвертором

На рис.245 приведена схема ТТЛ-элемента с простым инвертором. Операция И реализуется здесь многоэмиттерным транзистором Т1, а транзистор Т2 служит в качестве инвертора. Многоэмиттерные транзисторы легко реали-зуются в интегральной технологии. Они служат основой ТТЛ-элементов. Если на всех входах(эмиттерах транзистора Т1) действует сигнал «+1» (высокий потенциал то все переходы эмиттер — база транзистора Т1 закрыты. Потенциал базы транзистора Т2 близок к нулю, а переход коллектор — база транзистора Т1 открыт приложенным в прямом направлении напряжением источника +Ео. Ток коллекторного перехода транзистора Т1 проходит через переход эмиттер — база транзистора Т2, переводя его в режим насыщения, а на выходе появляется сигнал «0» (низкий потенциал). Если на одном из входов появится сигнал «0», то соответствующий переход эмиттер — база транзистора Т1 откроется, электроны перейдут в базу и далее в коллектор транзистора Т1, создавая обратный ток перехода эмиттер — база транзистора Т2, что приведет к запиранию этого транзистора и повышению выходного потенциала до уровня «1». Таким образом, сигнал «0» может быть на выходе только при всех входных сигналах «1», что соответствует операции И—НЕ.

На практике используют ТТЛ-элементы со сложным инвертором, позволяющим увеличить нагрузочную способность элемента.