рефераты Знание — сила. Библиотека научных работ.
~ Портал библиофилов и любителей литературы ~

Меню
Поиск



бесплатно рефератыЛогические элементы и их электронные аналоги

закрыт, на выходе Q действует положительное напряжение, близкое к

напряжению источника питания, что соответствует логической 1. Если на вход

А подается напряжение логической 1, то переход эмиттер - база транзистора

VT1 запирается, но создаются условия для протекания тока через его переход

коллектор - база и тем самым для протекания тока через базу транзистора

VT2, что приводит к его отпиранию и переходу в режим насыщения. При этом

транзистор VT3 запирается (так как на коллекторе VT2 действует слишком

низкое напряжение), а транзистор VT4 отпирается, так как на его базу

подается с резистора R2 напряжение в положительной полярности. Таким

образом, через малое сопротивление открытого транзистора VT4 выход

соединяется с общей шиной «землей» и напряжение на нем оказывается почти

нулевым и схема работает как инвертор. Диод VD, включенный на вход А,

защищает схему от перегрузки по входу.

Существенно повысить быстродействие инвертора и снизить расход энергии

питания позволяет применение диодов Шоттки, включаемых параллельно переходу

коллектор - база биполярного транзистора (рис. 7, в). Такое соединение

называется транзистором Шоттки и обозначается в электронных схемах, как

показано на рис. 7, в. Среднее время задержки сигналов в логических

элементах ТТЛШ порядка 1,5 нс при средней потребляемой мощности около 20

мВт на один логический элемент.

Применение МОП-транзисторов позволяет почти в 10 раз увеличить число

активных элементов на кристалле интегральной микросхемы и более чем в 103

раз уменьшить потребление энергии питания по сравнению с биполярными

транзисторами. Однако почти в 10—20 раз уменьшается быстродействие (в

первую очередь, из-за больших емкостей на входе и выходе транзисторов и

очень высоких входных сопротивлений).

Инвертор на МОП-транзисторах с n-каналами может быть выполнен по

схеме, приведенной на рис. 8, а. Транзистор VT1, на затвор которого

подается напряжение в отпирающей полярности, выполняет роль резистора

(сопротивление которого может быть сделано любым - в пределах от сотен омов

до сотен кило-омов - в зависимости от технологии изготовления и напряжения

на затворе). Если на входе А действует сигнал 0, то транзистор VT2 закрыт и

напряжение на выходе Q практически равно напряжению источника питания, т.

е. соответствует напряжению логической 1. Когда на вход А действует

положительное напряжение, соответствующее напряжению логической 1, то

транзистор VT2 открывается (его сопротивление при этом составляет всего 300

- 500 Ом) и напряжение на выходе Q становится весьма малым (десятые доли-

единицы вольт), что соответствует логическому 0. Существенное повышение

быстродействия (и снижение потребления энергии питания) достигается при

использовании комплиментарной пары КМОП-транзисторов.

Схема КМОП-инвертора приведена на рис. 8, б. Если на входе А схемы

действует напряжение логического нуля, то транзистор VT1, имеющий р-канал,

полностью открыт, поскольку его затвор при этом соединен с общим проводом и

поэтому на него подается напряжение в отпирающей полярности относительно

истока, соединенного с плюсом источника питания. Транзистор VT2 имеющий n-

канал, заперт, вследствие чего напряжение на выходе Q максимально и

соответствует напряжению логической 1. Когда на вход А подается

положительное напряжение логической 1, то транзистор VT1 запирается, а

транзистор VT2 полностью отпирается, вследствие чего напряжение на входе Q

становится нулевым. Быстродействие этой схемы по сравнению с предыдущей

существенно увеличивается благодаря тому, что заряд-перезаряд паразитных

емкостей происходит через весьма малые сопротивления полностью открытых

транзисторов VT1 и VT2. Потребление энергии питания снижается до уровня

десятых долей микроватта на один элемент потому, что схема потребляет ток,

в сущности, только во время переключения, когда один транзистор

открывается, другой закрывается. В остальное время — при 0 или 1 — всегда

один из транзисторов закрыт и ток от источника питания не потребляется.

[pic]

Рис. 7. Логический элемент НЕ, выполненный на обычном биполярном

транзисторе (а); многоэмиттерном транзисторе с дополнительным

усилителем (б); Транзистор Шоттки и его условное графическое

изображение в электронных схемах (в).

[pic]

Рис. 8. Логический элемент НЕ, выполненный на МОП-

транзисторах с n-каналом (а), комплиментарной паре МОП-

транзисторов с n- и р-каналами (б).

Логический элемент И – НЕ.

Более универсален элемент И-НЕ, позволяющий одновременно с операцией

логического умножения выполнить и отрицание, тем более что в большинстве

случаев это не усложняет схемы. Например, на рис. 9, а приведен МОП-вариант

схемы логического элемента И-НЕ. Транзистор VT1 используется вместо

сопротивления нагрузки и постоянно открыт, ибо на его затвор подается

напряжение в отпирающей полярности. Если на затворы транзисторов VT2 и VT3

поданы напряжения логического 0, то они заперты, тока не проводят и на

выходе Q действует почти полное напряжение питания, т. е. напряжение

логической 1. Если подается напряжение логической 1 только на один из

входов А или В, то состояние схемы не изменяется и напряжение на выходе

остается неизменным. Однако, если на оба входа действуют напряжения

логических 1, то оба транзистора VT2 и VT3 отпираются, их внутреннее

сопротивление уменьшается (до 500 - 1000 Ом) и напряжение на выходе Q также

становится весьма малым, т. е. на выходе действует логический 0 - в полном

соответствии с таблицей истинности И-НЕ (табл. 4.).

Недостаток схемы - при подаче на входы A и В одновременно напряжений

логических 1 схема потребляет ток от источника питания. Если же элемент И-

НЕ выполнен на КМОП-транзисторах, то этого не происходит. В частности, на

рис. 9, б дается схема подобного элемента. Транзисторы VT1 и VT2 имеют р-

каналы, вследствие чего, когда на их затворах (входах A, В) действуют

сигналы логических 0, они полностью открыты и на выходе Q имеется

положительное напряжение логической 1. При этом транзисторы VT3 и VT4

полностью заперты, ибо имеют n-каналы. Когда на оба входа A, В одновременно

действуют положительные напряжения логических 1, транзисторы VT1 и VT2

запираются и напряжение с выхода Q снимается. При этом транзисторы VT3 и

VT4 отпираются и выход оказывается соединенным с общим проводом через малое

сопротивление (500 - 1000 Ом). Если на одном из входов действует напряжение

логического 0, а на другом - напряжение логической 1, то один из

транзисторов с р - каналом (VT1 или VT2) запирается, но другой остается

открытым, и поскольку они включены параллельно, на выходе остается

напряжение логической 1. При этом один из транзисторов с n-каналом (VT3 или

VT4) оказывается открытым; другой - закрытым, и, поскольку они включены

последовательно, шунтирования выхода Q малым сопротивлением не происходит и

напряжение на выходе оказывается высоким. Таким образом, сама схема тока не

потребляет (разве что в те мгновения, когда происходит процесс ее

переключения — но это, в среднем, доли микроватта). ТТЛ-вариант схемы

логического элемента И-НЕ дан на рис. 5, в. Из рассмотрения рисунка вполне

очевидно, что схема представляет собой стандартный элемент И (рис. 5, в), к

которому добавлен выходной стандартный усилитель — от инвертора (см. рис.

7, б). Условные изображения логического элемента И-НЕ дана на рис. 9, г.

[pic]

Рис. 9. Логический элемент И-НЕ, выполненный на МОП-транзисторах с

га-каналами (а), многоэмиттерном биполярном транзисторе и

дополнительном усилителе (б), комплементарных МОП-транзисторах (в) и

условные графические обозначения элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ в электронных

схемах (г)

Логические элементы ИЛИ-НЕ.

Изменив схему логического элемента ИЛИ на МОП-транзисторах возможно

получить новый, более универсальный элемент ИЛИ-НЕ, осуществляющий

одновременно с логическим сложением ИЛИ и логическое отрицание (инверсию)

НЕ. Для этого активные элементы должны быть использованы не в режиме

повторителей (как в схеме рис. 6, б), а в режиме усилителей-инверторов, что

легко достигается перенесением общего сопротивления нагрузки из цепи

истоков в цепь стоков. На рис. 10, а приведена такая схема логического

элемента ИЛИ-НЕ. При сигналах логического 0 на входах А и В транзисторы VT2

и VT3 заперты, а поскольку транзистор VT1 постоянно открыт и играет роль

сопротивления нагрузки, то на выходе Q действует положительное напряжение

логической 1. Если на одном из входов А или В (или одновременно на двух)

действует положительное, напряжение, соответствующее логической 1, то

транзистор VT2 или VT3 или оба вместе оказываются открытыми и напряжение на

выходе Q снижается до нескольких десятых долей-единиц вольт, т. е. до

уровня напряжения логического 0.

[pic] [pic]

[pic]

Рис. 10. Логические элементы ИЛИ-НЕ, выполненные на биполярных

транзисторах (а), МОП-транзисторах с n-каналами (б), комплиментарных

парах МОП-транзисторов (в).

Существенно снизить потребление энергии питания и увеличить

быстродействие позволяет использование КМОП-транзисторов. В частности, на

рис. 10, б приведена схема такого вида. Транзисторы VT1 и VT2 имеют р-

каналы и открываются, если на их затворы подается напряжение логического 0

(так как на их затворы, соединенные с плюсом источника питания, подается

отрицательное напряжение в отпирающей полярности). При этом транзисторы VT3

и VT4, имеющие n-каналы, оказываются запертыми и напряжение на выходе Q

близко к напряжению источника питания, т. е. к напряжению логической 1.

Если хотя бы на одном из входов действует напряжение логической 1, то один

из транзисторов VT1 или VT2 закрывается, а поскольку они соединены

последовательно, схема отключается от источника питания и на выходе Q

напряжение равно 0. В добавление к этому открывается один из транзисторов

VT3 или VT4 (включенных параллельно) и выход соединяется с общим проводом

через весьма малое сопротивление 100—300 Ом. Таким образом, элемент

действует в полном соответствии с таблицей истинности ИЛИ-НЕ (табл. 5.).

Следует отметить, что схема чрезвычайно экономична и потребляет ток только

в очень краткие мгновения, во время переключения, когда одни транзисторы

открываются, а другие еще не успели закрыться.

ТТЛ-вариант конструктивного исполнения схемы ИЛИ-НЕ на биполярных

транзисторах приведен на рис. 10, в. Из рассмотрения рисунка видно, что

схема объединяет в себе двухвходовый элемент ИЛИ (рис. 6, а) и инвертор НЕ

(см. рис. 7, б). Если на входах А и В действуют напряжения логических 0, то

переходы база - эмиттер транзисторов VT1 и VT4 открыты и через них

протекает ток, минуя переходы база - коллектор. Вследствие этого заперты

суммирующие транзисторы VT2 и VT3. Поэтому на базу транзистора VT5 через

резистор R4 подается напряжение питания, полностью его отпирающее, в

результате чего на выход Q поступает положительное напряжение,

соответствующее логической 1. Транзистор VT6, включенный параллельно выходу

Q, при этом заперт и тока не проводит, ибо на его базу не подается

напряжение (с резистора R2). Если хотя бы на одном из входов А или В

действует напряжение логической 1, один из суммирующих транзисторов VT2 или

VT3 отпирается, напряжение в точке соединения их коллекторов резко падает,

что приводит к запиранию транзистора VT5 и на вход перестает поступать

положительное напряжение. При этом оказывается открытым транзистор VT6

шунтирующий своим малым сопротивлением выход, поскольку на его базу

начинает подаваться напряжение, снимаемое с резистора R2, включенного в

цепь эмиттеров суммирующих транзисторов VT2, VT3 (один из которых проводит

ток). Таким образом, схема работает в полном соответствии с табл. 5.

Условное изображения логического элемента ИЛИ-НЕ дана на рис. 9, г.

В рассмотренных схемах логических элементов для упрощения

показывалось, как правило, лишь два входа. Это совсем не означает, что в

реальных схемах их только два - их может быть значительно больше, до 8-10.

И есть специальные устройства - расширители, которые позволяют увеличить

число входов. Однако в случае необходимости можно увеличить число входов

элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ способом наращивания, объединяя последовательно-

параллельно несколько отдельных микросхем с меньшим числом входов. При этом

может возникнуть проблема: что делать с оставшимися свободными входами?

Если применены элементы И в ТТЛ-исполнении, то все свободные входы надо

соединить вместе и подключить через резистор в 1 - 2 кОм к плюсу источника

питания (+5 В). Свободные входы можно соединить с используемыми, но это не

всегда желательно, ибо увеличивается нагрузка на источник сигнала. В МОП и

КМОП-схемах И свободные входы можно соединять непосредственно с плюсом

источника питания.

Несколько сложнее наращивание в случае элементов ИЛИ-НЕ, И-НЕ, где

приходится использовать дополнительные инверторы.

В современной цифровой технике в настоящее время доминируют четыре

семейства логических микросхем в интегральном исполнении: ТТЛ; ТТЛШ; КМОП и

ЭСЛ, выпускаемые во всем мире сотнями миллионов штук ежегодно. При этом

наиболее широко применяются для построения цифровых информационно-

измерительных геофизических устройств микросхемы ТТЛ, ТТЛШ и КМОП. Цифровые

микросхемы семейства ЭСЛ, пока не имеющие себе равных по быстродействию

(доли наносекунды), потребляют слишком много энергии питания и используются

преимущественно для создания сверхбыстродействующих ЭВМ универсального

применения.

Все логические элементы выпускаются в виде микросхем в интегральном

исполнении и маркируются стандартным семиэлементным кодом. При этом третий

элемент маркировки — две буквы — обозначает: ЛИ — элемент И; ЛН — элемент

НЕ; ЛЛ — элемент ИЛИ; ЛА — элемент И-НЕ; ЛЕ — элемент ИЛИ-НЕ; ЛС — элемент

И-ИЛИ; ЛБ — элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ; ЛР — элемент И-ИЛИ-НЕ; Л К — элемент И-ИЛИ-

НЕ/И-ИЛИ; ЛМ— элемент ИЛИ-НЕ/ИЛИ; ЛД — расширители; ЛП — прочие типы

элементов (в том числе исключающее ИЛИ); ХЛ — многофункциональные элементы.

Список использованной литературы

1. Бобровников Л. З. Радиотехника и электроника. М. Недра, 1990 г.

2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных приборах. Л.

Энергия, 1978 г.

3. Ямпольский В. С. Основы автоматики и вычислительной техники. М.

Просвещение, 1991 г.

4. Нефёдов В. И. Основы радиоэлектроники. М. Высшая школа, 1994 г.

-----------------------

?

+V

Таблица 1

Функциональная таблица (таблица истинности) И

А В

Q

0

††††††?†††††††††††††††††††?‰†††††††††††††††††††?††††††††††††††††††??††††††††

††††††††††† 0 0

0 1

0

1 0

0

1 1

1

Выход

А

В

Световой

индикатор

К1 К2 К3

Таблица 2

Функциональная таблица (таблица истинности) ИЛИ

А В

Q

0 0

0

0 1

1

1 0

1

1 1

1

Таблица 3

Функциональная таблица (таблица истинности) НЕ

А Q

0 0

0 1

Таблица 4.

Функциональная таблица (таблица истинности) И-НЕ

A B Q

0 0 1

1 0 1

0 1 1

1 1 0

Таблица 5.

Функциональная таблица

(таблица истинности) ИЛИ-НЕ.

А В Q

0 0 1

1 0 0

0 1 0

1 1 0

б

а

Страницы: 1, 2




Новости
Мои настройки


   бесплатно рефераты  Наверх  бесплатно рефераты  

© 2009 Все права защищены.