лекциитоэ / Лекции по курсу Электротехника и электроника / ОЭЭ Лекция 33

Лекция 33

Глава 21. ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

21.1. Логические элементы

В цифровых вычислительных машинах, устройствах автоматики и обработки информации используют устройства, осуществляющие логи­ческие операции.

Логическая операция — это преобразование по правилам алгебры логики (или булевой алгебры) входной цифровой информации в выходную.

Простейшее в функциональном отношении логическое устройство, выполняющее одну определенную логическую операцию над входными сигналами, называют логическим элементом.

В алгебре логики истинность суждения или высказывания о резуль­татах той или иной логической операции обозначают символом 1, лож­ность — 0. Таким образом, логические переменные в алгебре логики принимают лишь два значения: единицу и нуль. Их называют двоич­ными переменными. Чтобы реализовать алгебру логики на электронных элементах, необходимо значение параметров этих элементов перевести на язык алгебры логики (0 или 1). Задавать значения параметров можно уровнем напряжения или полярностью импульсов.

Если сигналы подают в виде высокого (положительной или отрица­тельной полярности) и низкого (близкого к нулю) уровня напряжения, то такой способ подачи сигнала называют потенциальным. Если высоко­му уровню напряжения U¹ приписывают значение «единица», а низкому U° — «нуль», то логику называют положительной (позитивной), в противном случае — отрицательной (негативной). Разность уровней единицы и нуля называют логическим перепадом U_л = U^l — U°. Он должен быть значительным, иначе нельзя будет четко отделить один уровень от другого.

Если сигналы подают в импульсной форме, то такой способ подачи сигнала называют импульсным. При этом логической единице соот­ветствует наличие импульса, логическому нулю — отсутствие импульса (положительная логика). Сигналы, соответствующие 1 (или 0), могут быть на входе и выходе разными. Наибольшее распространение полу­чили потенциальные логические элементы, так как их можно изготов­лять по технологии интегральных микросхем.

Элементарные логические операции и типы логических элементов. Система логических элементов, на базе которой можно строить логи­ческую схему любой сложности, называется функционально полной. Основными и наиболее простыми логическими элементами являются элементы, выполняющие операции отрицания (НЕ), конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ). Они составляют функционально полную систему и являются системой минимального базиса. Каждая из этих операций и логических элементов имеет и другое название (табл. 21.1). В этой таблице да-

ны названия логических элементов, обозначение данной операции, показано, как читается запись операции, обозначаются логические эле­менты в функциональных схемах, а также таблица истинности для случая, когда имеется два входа и один выход. Таблица истинности содержит правила выполнения операций. В каждой ее строке записывают состояние сигналов на входах (х₁, х₂) и результат логической операции на выходе (у). В общем случае логический элемент может иметь n входов и n выходов.

Функционально полную систему могут обеспечить составные (ком­бинированные) логические элементы, выполняющие логические операции И — НЕ, ИЛИ — НЕ. Их названия, обозначения также даны в табл. 21.1.

Логические элементы выполняют как на дискретных приборах, так и методами интегральной технологии. Для большинства серий ин­тегральных микросхем базисной системой являются логические элементы И — НЕ или ИЛИ — НЕ. Их выпускают в виде отдельных микроми­ниатюрных устройств в герметичном корпусе.

Рассмотрим логические элементы на полупроводниковых приборах. Логические элементы И и ИЛИ могут выполняться на резисторах, диодах, биполярных и полевых транзисторах и туннельных диодах. Элемент НЕ выполняется на транзисторах.

Составные логические элементы на разных ступенях могут выпол­няться на различных приборах (резисторах, диодах, транзисторах, как биполярных, так и полевых), т. е. могут иметь разные схемные варианты. В соответствии с конструкцией их называют логикой типа резисторно-транзисторной (РТЛ); диодно-транзисторной (ДТЛ); транзисторно-транзисторной (на биполярных транзисторах — ТТЛ; на полевых — р-канальная МОПТЛ, n-канальная МОПТЛ; на комплементарных полевых транзисторах — КМОП или КМОПТЛ; на транзисторах с эмиттерными связями - ТЛЭС или ЭСЛ).

Специфической логикой на транзисторах является инжекционная логика — И²Л, она не имеет аналогов в транзисторных схемах на дискрет­ных элементах. Связь между ступенями логических элементов осу­ществляется либо непосредственно, либо через резистор, либо через .RC-цепочку. Тогда в название логики добавляют соответствующие буквенные обозначения: НСТЛ - транзисторная логика с непосредствен­ной связью; НСТЛМ — транзисторная логика с непосредственной связью на МОП-транзисторе; РЕТЛ — транзисторная логика с резистивно-емкостной связью.

Основные логические элементы в дискретном исполнении. Логический элемент НЕ (табл. 21.1) имеет один вход и один выход и выполняет операцию НЕ. Он представляет собой усилительный каскад на биполяр­ном или полевом транзисторе, работающий в ключевом режиме. На рис. 21.1 показан элемент НЕ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ. Элемент предназначен для работы с сигналами положи­тельной полярности в положительной логике. Транзистор Т закрыт отри­цательным потенциалом на базе, подаваемым от источника Е_Б. При подаче на вход элемента сигнала низкого уровня U_BX = U°, соответст­вующего логическому 0, транзистор остается закрытым, коллекторный ток равен нулю, т. е. через резистор R_K ток не проходит и на выходе напряжение т. е. высокого уровня U¹, соответствующего логической 1.

При высоком уровне напряжения на входе транзистор находится в режиме на­сыщения, появляется коллекторный ток и на резисторе R_K создается падение напряжения, примерно равное E_K, а на выходе напря­жение примерно равно нулю т. е. будет логический нуль. Итак, если х = 0, то y = 1, если x = 1, то y = 0, т. е. элемент яв­ляется инвертором — выполняет операцию отрицания.

Следует отметить, что если элемент выполнен на кремниевом транзисторе n-р-n-структуры, источник смещения E_Б можно не включать, так как и при положительных потенциалах на базе (до 0,6 В) транзистор практически закрыт.

Логический элемент И (табл. 21.1) может иметь два (или более) входа и один выход и работать как при потенциальных, так и импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из последовательно включенных контактов реле. Рассмотрим работу элемента И, выполнен­ного на диодах.

Элемент, предназначенный для работы с сигналами в виде напря­жений (или импульсов) положительной полярности в положительной логике, показан на рис. 21.2, а. Он имеет три входа и один выход. Эле­мент реализует операцию И, если сигнал 1 появляется на выходе толь­ко тогда, когда одновременно на всех входах присутствует сигнал 1. При этом, если хотя бы на одном входе присутствует сигнал, соответ­ствующий логическому нулю, он должен передаваться через открытый диод на выход и обеспечивать запирание тех диодов, на которые со стороны входа воздействуют сигналы, соответствующие логической 1. Будем считать, что сопротивление открытого диода Rд_откр << R, а потенциалы сигнала и источника питания Е схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U⁰ < Е < U¹.

Если на одном из входов цепи, например Bх₁ действует сигнал U₀, то диод Д₁ будет открыт и ток пройдет по цепи +E, резистор R, диод Д₁, источник U°. Все напряжение источника Е приложится к резистору R и на выходе напряжение окажется равным U₀, т. е. сигнал на выходе — логический нуль. На остальных входах действует высокий потенциалпоэтому диоды закрыты, так как их анод подсоединен к зажиму на выходе с низким потенциалом а катоды — к высокому положительному потенциалу

Если на всех входах действует напряжение U₁, то все диоды будут закрыты, ток в цепи закрытый диод, источникне проходит и падение напряжения на резисторе R равно нулю. На выходе напряжение что соответствует логической 1. Таким образом, если хотя бы на один из входов воздействует сигнал, соответ­ствующий логическому нулю, сигнал на выходе также соответствует логическому нулю. Сигнал на выходе соответствует логической 1 только если сигналы на всех входах соответствуют логической единице.

На рис. 21.2,б, г, д показаны элементы, предназначенные соответ­ственно для работы с сигналами отрицательной полярности в поло­жительной логике, положительной (рис. 21.2, г) и отрицательной (рис. 21.2, д) полярности в отрицательной логике. Отметим, что один и тот же элемент может работать как от положительных, так и от отрицательных сигналов, но полярность включения источника питания для положительных сигналов должна быть положительной (+E), для отрицательных сигналов - отрицательной (-E). Работают элементы так же, как и элемент на рис. 21.2, а. Наиболее распространены элементы, показанные на рис. 21.2, а, д.

Элемент И может работать и без источника питания. В этом слу­чае возможны только два варианта включения диода, причем элемент на рис. 21.2, в реализует операцию И только от сигналов отрицатель­ной полярности в положительной логике, а элемент на рис. 21.2, е — только от сигналов положительной полярности в отрицательной логике. Элементы без источника питания менее предпочтительны, чем с источником питания.

Логический элемент ИЛИ (табл. 21.1) может иметь два (и более) входа, один выход и работать как при потенциальных, так и при импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из парал­лельно включенных реле.

Рассмотрим элемент ИЛИ, выполненный на диодах и предназначен­ный для работы от сигналов в виде напряжений (импульсов) положи­тельной полярности в положительной логике. Для того чтобы элемент реализовал операцию ИЛИ, необходимо, чтобы сигнал на выходе имел значение 1 только тогда, когда хотя бы на одном из входов действует сигнал 1. При этом сигнал 1 на входе должен обеспечивать запирание всех диодов, на которые со стороны входа воздействует сигнал 0. Соотношение потенциалов источника сигналов низкогои высокого уровней и источника питания Е схемы такое же, как и в схеме элемента И: (если то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии

Е сли на все входы подано низкое напряжениеU⁰, все диоды закрыты, так как потенциал их анодов ниже потенциала катодов следовательно, напряжение на выходе равно т. е. на выходе сигнал соответствует логическому 0. При подаче хотя бы на один из входов, напримервысокого напряжения U¹ откроется диод Д₁, который подключен к этому входу, а так как сопротивление открытого диода равно нулю, то потенциал φ_K = +U¹ и на выходе имеется сигнал (логическая 1). Если в это время на какие-то диоды со стороны входа будет подан низкий потенциалони окажутся закрытыми, так как их катодам сообщится потенциалТаким образом, на выходе сигнал будет соответствовать логической 1, если хотя бы на одном из входов (или первом, или втором, или третьем) сигнал соот­ветствует логической 1.

Сравним рис. 21.3, а, на котором показан элемент ИЛИ, предназначен­ный для работы от сигналов положительной полярности в отрицатель­ной логике, с рис. 21.2, г. Они одинаковы. Таким образом, можно отметить, что элемент ИЛИ в положительной логике может выпол­нить операцию И в отрицательной логике, и наоборот. Все элементы И на рис. 21.2 в другой логике, чем для элемента И, реализуют операцию ИЛИ.

Элемент ИЛИ, как и элемент И, может не содержать источника питания. Элемент на рис. 21.3,б предназначен для работы от сигналов положительной полярности в положительной логике, а на рис. 21.3,в — от сигналов отрицательной полярности в отрицательной логике. Сравне­ние этих элементов ИЛИ с элементами И на рис. 21.2, в, е подтверждает, что оба элемента могут выполнять обе операции: и И, и ИЛИ; элемент И (ИЛИ) — в положительной логике, в отрицательной логике — ИЛИ (И).

Операции ИЛИ - НЕ и И - НЕ образуются путем инверсии резуль­татов, получаемых при выполнении операции ИЛИ и И соответственно:

что видно из таблицы истинности для двух входных элементов (табл. 21.2).

Э лемент, выполняющий операцию И — НЕ в положительной логике (табл. 21.3), в отрицательной логике выполнит операцию ИЛИ — НЕ (табл. 21.4).

Л огические элементы в интегральном исполнении предназначают для работы с сигналами в потенциальной форме. Они могут выпол­няться по логике разных типов. Тип логики влияет на характеристики элемента. В интегральных микросхемах чаще используют кремниевые транзисторы n-p-n-типа (см. замечание к элементу НЕ). В режиме насы­щения напряжение между эмиттером и коллектором таких транзисторов сравнительно велико (0,4 В и выше).

Логический элемент И — НЕ диодно-транзисторной логики (ДТЛ). Входные сигналы подаются на элемент И, выходной сигнал снимается с элемента НЕ. Таким образом, на выходе элемента И — НЕ сигналом будет логическая 1, если на входе элемента НЕ присутствует сигнал, соответствующий логическому 0. Чтобы это имело место, хотя бы на один вход элемента И должен быть подан сигнал, соответствующий логическому 0. Логический элемент И — НЕ для сигналов положительной полярности показан на рис. 21.4. Он представляет собой соедине­ние через диоды Д_с двух элементов: диод­ного элемента И и транзисторного элемен­та НЕ (см. соответственно рис. 21.2, а и рис. 21.1). При этом элемент НЕ не имеет источника смещения E_Б, исходя из сделан­ного ранее замечания о работе кремние­вых транзисторов. Кроме того, зна­чения напряжений, соответствующих логическим 0 и 1, необходимо выбрать должным образом, так как при напряжении на базе, несколько меньшем 0,6 В, транзистор будет закрыт, а в режиме насыщения напряжение между эмиттером и коллектором равно 0,4 В (и выше).

Рассмотрим работу элемента. Если на все входы подано напряжение U¹ (логическая 1), все диоды (Д₁ Д₂, Д₃) будут закрыты и ток в цепи источник E₁, резистор R₁, открытые диоды Д_c пройдет в базу транзистора. Вследствие падения напряжения на резисторе R₁ потен­циал φ₁ окажется несколько ниже потенциала + E₁, диод Д₁ будет открыт и потенциал базы φ_Б транзистора меньше потенциала φ₁ на значение падения напряжения на диодах Д_с (но выше 0,6 В, так что транзистор будет находиться в режиме насыщения). На выходе элемен­та НЕ установится низкое напряжение U⁰, соответствующее логи­ческому 0. Если хотя бы на один вход, например Вх₁, будет подано напряжение U⁰, то соответствующий диод Д₁ будет открыт и потенциал φ₁ будет ≈ U⁰. Ток от источника E₁ будет проходить через резистор R₁. Часть тока замкнется через открытый диод Д₁; источник U⁰, источник E₁, часть — через смещающие диоды Д_с, резистор R₂ и источник E₁. Потенциал базы φ_Б = U_БЭ будет ниже потенциала φ₁ на значение падения напряжения на смещающих диодах Д_с. При этом элемент рассчитывают таким образом, чтобы падение напряжения на диодах Д_с было таким, чтобы φ_Б = U_БЭ > 0, но значительно меньше 0,6 В. В этом случае транзистор будет закрыт и на выходе элемента НЕ напряжение окажется равным E_K > U⁰, т. е. получим логическую 1.

Логический элемент И — НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Простейший элемент И — НЕ показан на рис. 21.5, а. Он состоит из двух частей: элемента И на многоэмиттерном транзисторе Т₁ и элемента НЕ на транзисторе Т₂. Связь непосредственная: коллектор Т₁ соединен с базой транзистора Т₂. Смещение в цепи базы транзистора Т₂ выполняет коллекторный переход Т₁. Три эмиттерных перехода T₁ подключенных к входу элемента (рис. 21.5,б), выполняют функции входных диодов в схеме И на диодах.

По сравнению с ДТЛ-элементами элементы ТТЛ обладают более высоким быстродействием. Элемент выполнен по технологии интеграль­ных микросхем, поэтому он не содержит реактивных элементов. Он работает от сигналов в виде напряжений положительной поляр­ности.

Рассмотрим принцип работы подобных элементов. Если на все входы подать напряжението все эмиттерные переходы сместятся в обрат­ном направлении. Потенциал коллектора транзистора Т₂ окажется близким нулю, переход база - коллектор смещен в прямом направлении за счет источника Транзистор T₁ будет в инверсном режиме, транзистор Т₂ — в режиме насыщения. Коллекторный ток транзистора T₁ втекает в базу транзистора Т₂, оставляя последний в режиме насы­щения. Таким образом, на выходе будет напряжение низкого уровня т. е. логический 0.

Если на один из входов подано напряжение то потенциал базы транзистора T₁ станет выше потенциалов эмиттера и коллектора, поэтому Т₁ окажется в режиме насыщения и ток базы замкнется через эмиттерные переходы T₁ и не поступит в его коллектор, а следо­вательно, и в базу Т₂. Поэтому транзистор Т₂ будет закрыт, а на его выходе — напряжение высокого уровня (логическая 1). Таким образом, элемент выполняет операцию И — НЕ, так как сигнал логического нуля на выходе может быть только тогда, когда на все входы будет подан сигнал логической единицы.

В промышленности для повышения нагрузочной способности логи­ческих элементов ДТЛ и ТТЛ используют схемы со сложным инвер­тором. Рассмотрим работу универсального логического элемента И — НЕ со сложным инвертором на выходе в интегральном исполнении (рис. 21.6). Операция И выполняется входным многоэмиттерным транзистором T₁. Инвертирование фазы сигнала осуществляется слож­ным инвертором на транзисторах Т₂, Т₃, Т₄, питание элемента — источником постоянного напряжения Е_K = 5 В. Элемент работает от входных импульсов напряжения прямоугольной формы с уровнями: (логическая 1), (логический 0).

Пусть на оба входа относительно общей заземленной шины одновре­менно поданы положительные импульсы напряжения U¹ = 3,3 В. В этом случае оба эмиттерных перехода транзистора T₁ закрыты, так как они имеют обратное смещение. Транзисторы Т₂ и Т₄ находятся в режиме насыщения. Ток проходит по цепи (рис. 21.6) открытый коллекторный p-n-переход транзистора T₁, эмиттерно-базовые переходы насыщенных транзисторов Т₂ и Т₄, 0. Многоэмиттерный транзистор T₁ находится в инверсном режиме включения. Так как транзистор Т₂ открыт и находится в насыщении, между точками А и В элемента имеется малый перепад напряжения, из которого вычитается падение напряжения на диоде Д. В силу этого транзистор Т₃ надежно закрыт и находится в режиме отсечки. Насыщенный транзистор T₄, представ­ляя собой в этом режиме эквипотенциальную точку, подсоединяет узел С схемы к заземленной точке Д, закорачивая тем самым сопротивление нагрузки R_H. Таким образом, на выходе напряжение равно логическому нулю. Появление хотя бы на одном входе T₁ импульса напряжения низкого уровня приводит к открытию соот­ветствующего эмиттерного перехода T₁. Транзистор T₁ выходит из инверсного режима, а транзисторы Т₂ и T₄ закрываются, так как их базовые токи становятся равными нулю. В это время входит в насы­щение транзистор Т₃. Его базовый ток насыщения протекает по цепи , эмиттерно-базовый переход Т₃, прямо включенный диод Д, сопротивление нагрузки R_H, -E_K. На сопротивлении R падает напряжение что соответствует логической единице.

Логический элемент ИЛИ — НЕ п-канальной МОП-транзисторной логики (МОПТЛ). В логических схемах на полевых транзисторах исполь­зуют только МОП-транзисторы с диэлектриком SiO₂. Основные преиму­щества схем на МОП-транзисторах по сравнению с другими схемами — высокая степень интеграции и повышенная помехоустойчивость.

Рассмотрим схему ИЛИ — НЕ на МОП-транзисторе с индуциро- ванным n-каналом (рис. 21.7). В отличие от рассмотренных ранее схем в ней вместо нагрузочного резистора R_K имеется МОП-транзистор (на схеме рис. 21.7 он обозначен Т_K). Это связано с тем, что нагрузочный резистор сильно увеличил бы площадь схемы. Логические транзисторы Т₁ и Т₂ включены параллельно. Входное напряжение на каждом из них равно напряжению затвора: U_{ВХ1 =} U_ЗИ1, U_ВХ2 = U_ЗИ2; выходное напряжение равно напряжению стока: U_ВЫХ = U_СИ. Напряжение питания обычно выбирают в т ри раза большим порогового U_пор (U_пор— напряжение на затворе, при котором образуется канал).

Если U_пор = 2,0 В, то логический перепад (разность между входным и поро­говым напряжениями) составляет 4 В. Логические уровни соответ­ствуют выходным напряжениям открытого и закрытого транзисторов. Если на оба входа подать напряжение меньше порогового (соот­ветствующее логическому нулю), то транзисторы T₁ и Т₂ окажутся закрытыми, а ток стока — практически равным нулю. При этом ток стока нагрузочного транзистора Т_K тоже будет равен нулю. Поэтому на выходе установится напряжение, близкое к напряжению источника питания Е_C и соответствующее логической 1.

Если на вход хотя бы одного транзистора подать напряжение, превышающее пороговое (соответствующее логической 1), то этот тран­зистор откроется и появится ток стока. Тогда на выходе схемы будет остаточное напряжение, значительно меньшее порогового, что соот­ветствует логическому 0.

Следует отметить, что схемы на МОП-транзисторах менее быстро­действующие, чем на биполярных. Это связано со скоростью переза­рядки выходной емкости, которая весьма значительна. Все способы повышения быстродействия ведут к появлению других существенных недостатков.

Аналогично работает (с учетом полярностей) схема ИЛИ - НЕ с р-канальными МОП-транзисторами. Тип схемы влияет на характеристи­ки (потребляемая мощность, быстродействие и др.), но принцип работы схемы остается неизменным. Рассмотрим особенности схем тех типов логик, которые не были рассмотрены ранее.

МОП-транзисторная логика на комплементарных транзисторах (КМОП). Схема строится на комплементарных МОП-транзисторах. В качестве логических используются два транзистора, один из которых с n-каналом, а другой — с р-каналом. Логические ИМС на их основе являются наиболее перспективными. Мощность, потребляемая ими в статическом режиме, составляет десятки нановатт, быстродействие около 10 МГц, они обладают большим логическим перепадом. Однако техноло­гия изготовления транзисторов с р- n -каналами на одном кристалле сложна и трудоемка.

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). Основу этой группы ИМС со­ставляет переключатель тока, представляющий собой ключевой элемент на транзисторах с объединенным эмиттером. Такие логические ИМС наиболее быстродействующие.

Интегральная инжекционная логика (И²Л). Эта логика не имеет аналогов в дискретном исполнении и является новым направлением, которое способствует миниатюризации цифровых приборов. В основе по­строения микросхем на И²Л используется базовая структура, состоящая из комплементарной пары биполярных транзисторов. Транзистор p-n-р работает в режиме источника тока (выполняет функции инжектора носителей заряда), а многоэмиттерный транзистор n-p-n работает как инвертор. Поэтому эту логику можно назвать логикой с инжекционным питанием. Один элемент И²Л занимает очень малую площадь, и потребляемая им мощность незначительна. Поэтому множество таких элементов можно объединить в схему с высокой степенью интег­рации.

Контрольные вопросы

1. Что называется логическим элементом и логической операцией?

2. Назовите элементарные логические операции, представляющие собой систему минимального базиса.

3. Дайте названия логическим элементам, реализующим соответствующие логические операции.

4. С помощью каких электронных приборов конструируются логические элементы?

5. Приведите пример взаимозаменяемости логических элементов для реализации операций в положительной и отрицательной логике.

6. Каковы основные достоинства и недостатки схем логических элементов на МОП-транзисторах и на биполярных транзисторах?