Логические элементы

Логический элемент – это электронное устройство, реализующее одну из логических операций. Если значение функции на выходе элемента однозначно определяется комбинацией входных переменных в данный момент времени, то элемент относится к комбинационной логике.

На принципиальной схеме логический элемент изображают прямоугольником (по российской системе ЕСКД и европейской DIN), внутри которого ставится изображение указателя функции. Обычно линии с левой стороны прямоугольника показывают входы, с правой – выходы элемента. Если окружностью обозначен выход, то элемент производит логическое отрицание (инверсию) результата операции, указанной внутри прямоугольника.

Хотя любое цифровое устройство и может быть построено из логических элементов одного типа, например И-НЕ либо ИЛИ‑НЕ, на практике редко ограничиваются одним типом элементов [1].

В таблице 4.1 представлены основные логические элементы, используемые в цифровых устройствах.

Рассмотрим устройство и принцип работы базовых логических элементов наиболее распространенных типов цифровых микросхем.

Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). На рис. 4.1, а показана схема логического элемента И-НЕ ТТЛ с многоэмиттерным транзистором VT 1 на входе (его отличие заключается в том, что инжекция носителей заряда в базу осуществляется через несколько самостоятельных эмиттерных р‑n -переходов) и простым однотранзисторным ключем на выходе.Принцип действия этой схемы при различных входных сигналах показан на рис. 4.1, б, в, г.

Таблица 4.1

Логическая функция	Обозначение в DIN-стандарте	Обозначение в ANSI-стандарте	Таблица истинности
Инвертор (НЕ)			X Y
И			A B Y
И-НЕ			A B Y
ИЛИ			A B Y
ИЛИ-НЕ			A B Y
ИСКЛЮЧА-ЮЩЕЕ ИЛИ			A B Y

Как следует из рис. 4.1, б, логическая единица ,поступившая на входы VT 1,запирает все эмиттерные переходы. Ток, текущий через резистор R _б, замкнется через открытые
р-n ‑переходы – коллекторный VT 1и эмиттерный VT 2.Этот ток откроет транзистор VT 2,и напряжение на его выходе станет близким к нулю, т. е. (рис. 4.1, б). Если же на все или хотя бы на один вход VT 1будет подан сигнал (рис. 4.1, в, г),то ток, текущий по R _б,замкнется через открытый эмиттерный переход VT 1.При этом входной ток VT 2будет близок к нулю, и выходной транзистор окажется запертым, т. е. . Таким образом, в рассмотренной схеме осуществляется логическая операция И-НЕ Следует отметить, что если входы транзистора VT 2оставить свободными и не подключать к источнику сигнала, то это будет воспринято элементом как наличие логических 1 на его входах. Ток, текущий через R _б, в этом случае откроет VT 2,и на его выходе появится сигнал . Рассмотренная схема базового элемента ТТЛ с простым инвертором находит ограниченное применение только в качестве схемы с открытым коллектором. В этих схемах R_K внутри микросхемы отсутствует и нагрузкой ключа является внешний потребитель: элемент индикации (лампочка, светодиод) или исполнительное устройство (электромагнит, реле и пр.).

Рис. 4.1. Принцип действия элемента И-НЕ на базе ТТЛ

Улучшающим свойства ТТЛ микросхем, является введение в них диодов Шоттки, имеющих структуру металл–полупроводник. Эти диоды шунтируют коллекторные переходы ключевых транзисторов, предотвращая их насыщение. Благодаря этому время задержки распространения сигнала уменьшается почти в три раза. ИМС с диодами Шоттки сейчас повсеместно вытесняют микросхемы, выполненные по обычной ТТЛ технологии.

Базовый элемент на КМОП структурах. Структура из двух комплементарных МОП-транзисторов, являющаяся идеальным переключателем напряжения, положена в основу базовых элементов И-НЕ (рис. 4.2, а) и ИЛИ-НЕ (рис. 4.2, б).Как видно из этих схем, для реализации функции И-НЕ используется параллельное включение транзисторов р -типа и последовательное (каскадное) включение транзисторов n -типа. При этом каждый входной сигнал подается на пару транзисторов с каналами различной проводимости. Так, переменная Х1 поступает на транзисторы VT1 и VT4, Х2 на VT2 и VT5, Х3 на VT3 и VT6. При поступлении на все входы сигналов логической единицы Х1=Х2=Х3=U ¹_вхзакроются все транзисторы р -типа
(VT1,..., VT 3) и откроются транзисторы с каналом n -типа
(VT 4,..., VT 6).В результате выход элемента соединится с общим проводом и выходное напряжение станет равно U ⁰_вых. Если же напряжение хотя бы на одном из входов, например Х1,останется низкого уровня, то закроется n -канальный транзистор VT4 и откроется р ‑канальный транзистор VT1,через который выход элемента подключится к источнику питания. Таким образом, на выходе будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической единице.

Рис. 4.2. Реализация базовых элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ на базе КМОП

Для реализации базового элемента ИЛИ-НЕ (рис. 4.2, б) необходимо поменять местами параллельные и последовательные участки схемы и заменить в каждой группе (параллельной и последовательной) транзисторы с каналами одного типа на транзисторы с каналами противоположного типа проводимости.

Прочие типы базовых элементов. Микросхемы, выполненные по ТТЛ и КМОП технологии, обладают хорошими эксплуатационными показателями и поэтому получили наиболее широкое распространение. Однако в настоящее время применяют и другие типы микросхем. Например, там, где требуется повышенное быстродействие, находят применение микросхемы, выполненные по ЭСЛ технологии. Это микросхемы на п‑р‑n ‑транзисторах с общим проводом, соединенным с коллекторными цепями. Большое быстродействие достигается за счет работы транзисторов в активном режиме без перехода в режим насыщения. Однако работа в активном режиме приводит к резкому уменьшению помехоустойчивости и значительному увеличению потребляемой мощности.

Еще одним направлением биполярной логики является использование технологии интегральной инжекционной логики – И²Л. Базовый элемент этой логики содержит два биполярных транзистора различной структуры (п-р-п и р-п-р)и диоды Шоттки. Такие элементы при очень малой потребляемой мощности обладают достаточно высоким быстродействием. Кроме того, этот элемент занимает на кристалле очень маленькую площадь, что позволяет создавать микросхемы высокой степени интеграции.

В заключение параграфа приведем таблицу основных параметров базовых логических двухвходовых элементов широко распространенных и перспективных типов (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Параметры наиболее распространенных логических элементов

4.2. Функциональные
узлы комбинационного типа