Элементы цифровой логики

В цифровых устройствах и схемах обработка и передача информации производится с помощью двоичного кода, когда информационные сигналы могут принимать только два значения 1 и 0. Элементы схем, обрабатывающие такие сигналы также называют логическими.

Рис.7.1. Схемная реализация элементов, таблица истинности и обозначение элемента.

Если 1 соответствует наличию сигнала, а 0 его отсутствие то логику называют положительной. Наоборот, если логической единице соответствует низкий логический уровень, а логическому нулю – высокий, то говорят об отрицательной логике. Простейшие логические элементы, реализованные на полупроводниковых приборах приведены на рис.7.1.

Для реализации «НЕ» обычно используют один усилительный каскад с общим эмиттером. Элементы «ИЛИ» и «И» реализуются на простых диодах.

Рис.7.2.

Элементы «НЕ», «ИЛИ», «И» составляют полную базу, с помощью которой можно образовывать любую логическую функцию. Однако оказывается, что полную базу может образовывать и один логический элемент «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ». На рис.7.2 показана реализация элементов «НЕ», «ИЛИ», «И» с помощью «ИЛИ-НЕ», а на рис.7.3. с помощью «И-НЕ».

Рис.7.3.

Использование только одного базового элемента позволяет упростить разработку и создание сложных цифровых логических схем.

Базовые логические элементы.

Основой построения цифровых интегральных схем являются базовые логические элементы. Они различаются схемотехническими принципами и типом использованных электронных приборов. С учётом исторического развития различают следующие классы логических элементов (логики):

резистивно-транзисторная (РТЛ);

диодно-транзисторная (ДТЛ);

транзисторно-транзисторная (ТТЛ);

эмиттерно-связанная (ЭСЛ);

транзисторно-транзисторная с диодами Шоттки (ТТЛШ);

МОП-транзисторная с р-каналом (р-МОП);

МОП-транзисторная с n-каналом (n-МОП);

на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП);

интегрально-инжекционная (И²Л);

арсенидо-галлиевая (GaAs).

Они различаются следующими параметрами.

· Быстродействием – временем задержки распространения сигнала t _зд, и максимальной рабочей частотой.

· Входными напряжениями логических нуля и единицы. Выходными напряжениями логических нуля и единицы.

· Напряжением питания и потребляемой мощностью. Коэффициентом разветвления по выходу и коэффициентом объединения по входу.

· Помехоустойчивостью.

В настоящее время наиболее широко используется ТТЛШ и КМОП логики.

Базовый элемент ТТЛ (Рис.7.4) состоит из входного многоэмиттерного транзистора, выполняющего операцию «И» и сложного инвертора. Многоэмиттерный транзистор сконструирован так, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой переход. Данный элемент выполняет функцию «И-НЕ». Если хотя бы на одном входе присутствует низкий логический уровень, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения, VT2 и VT4 закрыты и на выходе логическая 1. При логической 1 на всех входах VT2 и VT4 открыты и на выходе логический 0. Выпускаются микросхемы ТТЛ с повышенной нагрузочной способностью, с открытым коллектором и с третьим высокоимпедансным состоянием. Напряжение питания 5 В ± 5%.

Рис.7.4.

Базовый элемент ТТЛШ (Рис.7.5) изготавливается с применением транзисторов и диодов Шоттки. По с сравнению с ТТЛ она экономичнее по мощности рассеивания в 4 - 10 раз и временем задержки в среднем в два раза.

Рис.7.5.

На рис 7.6 показаны два базовых элемента на комплементарных МОП транзисторах. Особенностью схем является то, что они не содержат пассивных элементов. Микросхемы по КМОП технологии обладают малой потребляемой мощностью в статическом режиме, очень высоким входным сопротивлением, большой нагрузочной способностью (коэффициент разветвления 50 - 100), диапазон напряжения питания 3 - 15 В, малая зависимость характеристик от температуры. Недостатки КМОП микросхем: повышенное выходное сопротивление, большие времена задержки (200 нс), большой разброс параметров.

Рис.7.6.

Интегрально-инжекционная логика построена с использованием биполярных транзисторов. Для неё характерно экономичное использование поверхности кристалла. Базовые элементы могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике.

Логика GaAs характеризуется высоким быстродействием до 10 ГГц.