Логические элементы

Логические элементы (узлы) предназначены для выполнения различных логических (функциональных) операций над дискретными сигналами при двоичном способе их представления.

Преимущественное распространение получили логические элементы потенциального типа. В них используются дискретные сигналы, нулевому значению которых соответствует уровень низкого потенциала, а единичному значению - уровень высокого потенциала (отрицательного или положительного). Связь потенциального логического элемента с предыдущим и последующими узлами в системе осуществляется непосредственно, без применения реактивных компонентов. Благодаря этому преимуществу именно потенциальные логические элементы нашли почти исключительное применение в интегральном исполнении в виде микросхем. С позиций использования логических микросхем потенциального типа и проводится далее рассмотрение логических элементов.

Логические биполярные микросхемы чаще выполняют на транзисторах типа п-р-п с положительным напряжением питания Е_к. Этим объясняется, что используемые здесь сигналы имеют положительную полярность. Уровню высокого положительного потенциала ("1") на выходе соответствует закрытое состояние транзистора, а уровню низкого потенциала ("0") - его открытое состояние. С этой точки зрения, в частности, и следует понимать действие сигнала на входе логического элемента, имеющего непосредственную связь с другими элементами в конкретной схеме. Для упрощения уровень низкого потенциала сигнала полагаем равным нулю, а процесс перехода транзистора из одного состояния в другое - достаточно быстрым.

Логические интегральные микросхемы являются элементами, на основе которых выполняются схемы цифровой техники.

5.1.1 Логический элемент НЕ

Логический элемент НЕ имеет один вход и один выход. Его условное графическое обозначение (УГО) показано на рисунке 5.1, а.

Элемент НЕ выполняет операцию инверсии (отрицания), в связи с чем его часто называют логическим инвертором. Он реализует функцию

. (5.1)

Сигналу х = 0 на входе соответствует F = 1 и, наоборот, при х = 1 значение F = 0.

Работу схемы логического элемента НЕ иллюстрируют таблица истинности и временные диаграммы, приведенные на рисунке 5.1, б, в.

Рисунок 5.1 - Условное обозначение логического элемента НЕ (а), его таблица истинности и временные диаграммы (б, в)

Логический элемент НЕ представляет собой ключевую схему на транзисторе (рисунке 5.2), анализ которой был дан в 4.2. При х = 0 (U_вх = 0) транзистор закрыт, напряжение U_кэ ≈ E_к, т. е. F = 1. При х = 1 (U_вх = U_вх.отп) транзистор открыт, напряжение U_кэ= ∆ U_{кэ.откр} ≈ 0, т. е. F = 0. Открытое состояние транзистора обеспечивается заданием тока базы, вводящего транзистор в режим полного отрытого состояния (насыщения).

Рисунок 5.2 - Схема логического элемента НЕ

5.1.2 Логический элемент ИЛИ

Логический элемент ИЛИ имеет несколько входов и один общий выход. Его условное обозначение показано на рисунке 5.3, а.

Логический элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения (дизъюнкции):

F = x_l + х₂ + х₃ + … + х_п, (5.2)

где F - функция;

x₁, х₂, х₃,..., х_п - аргументы (переменные, двоичные сигналы на входах).

Здесь функция F = 0, когда все ее аргументы равны нулю, и F = 1 при одном, нескольких или всех аргументах, равных единице.

Работу схемы двухвходового логического элемента ИЛИ иллюстрируют таблица истинности и временные диаграммы, приведенные на

рисунке 5.3, б, в.

Рисунок 5.3 - Условное обозначение логического элемента ИЛИ (а), его таблица истинности и временные диаграммы (б, в)

Наиболее просто элемент ИЛИ реализуется на диодах (рисунке 5.4). Значение F = 1 на выходе создается передачей входного сигнала вследствие отпирания соответствующего диода. К диодам, для которых входной сигнал равен нулю, прикладывается обратное напряжение, и они находятся в закрытом состоянии.

Рисунок 5.4 - Схема логического элемента ИЛИ на диодах

На практике возможны случаи, когда число входов используемого логического элемента ИЛИ превышает количество входных сигналов. Неиспользуемые входы заземляют. Тем самым исключается возможность прохождения помех через элемент ИЛИ от наводок по неиспользованным входам.