2. Методы реализации логических элементов

Устройства, выполняющие элементарные логические операции, можно создавать на основе различной элементной базы. Вначале использовались в основном электрические реле, затем радиолампы, транзисторы и в последнее время – интегральные микросхемы. Рассмотрим некоторые возможные схемные решения логических элементов, работающих с сигналами положительной полярности (на основе дискретных элементов).

Рис. 2.

Элемент «НЕ» – усилительный каскад на кремниевом биполярном транзисторе, работающем в ключевом режиме (рис.2, а): уровень сигнала на входе меньше напряжения отпирания транзистора (порядка ), транзистор заперт и напряжение на входе равно напряжению питания. При подаче на вход высокого уровня входного сигнала транзистор открывается, в его коллекторной цепи протекает ток насыщения, почти все напряжение питания падает на резистореи на выходе устанавливается напряжение логического нуля. Резисторограничивает базовый ток при открытом транзисторе.

Элемент «И» на диодах (рис.2, б). Если на входе илидействует логический, то соответствующий диод будет открыт, по цепи,,(или), источник(или) потечет ток, и почти все напряжениебудет падать на резисторе, соответственно на выходе будет логический. Логическаябудет на выходе, только если оба диода заперты, т.е. на входахиодновременно будет присутствовать логическая единица. Для нормальной работы элемента необходимо, чтобы напряжение питаниябыло несколько меньше уровня логической единицы.

Элемент «ИЛИ» на диодах (рис.2, в): на выходе будет логическая , если хотя бы на одном входе будет логическая.

3. Интегральные логические элементы

Логические элементы в интегральном исполнении могут выполняться по логике различных типов. Рассмотрим некоторые типы логики. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) – элементы «И» и «ИЛИ» построены на диодах, элементы «НЕ» – на биполярных транзисторах. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) – все элементы выполнены на биполярных транзисторах, элементы «И2 – на многоэмиттерных транзисторах. Логика на основе полевых МОП-транзисторов. МОП-транзисторная логика на комплиментарных транзисторах. В качестве инвертора, например, используется пара МОП транзисторов, один из которых имеет проводящий канал n-типа, а другой – p-типа, включенных по питанию последовательно. Благодаря этому ток в схеме течет практически только в момент перехода из одного логического состояния в другое, все остальное время он очень мал (единицы наноампер). Поэтому микросхемы этого типа отличаются высокой экономичностью.

4. Параметры логических микросхем

Логические (или цифровые) микросхемы выпускаются сериями, каждая из которых включает логические элементы, элементы памяти, индикации и контроля. Все микросхемы в пределах серии имеют один тип логики, одинаковые напряжения питания, одинаковые значения уровней 0 или 1, унифицированные корпуса. Это облегчает проектирование и изготовление радиотехнических устройств. Одна микросхема содержит несколько независимых логических элементов, обычно однотипных. Каждый такой элемент выполняет или одну элементарную логическую операцию или (гораздо чаще) более сложные логические операции – несколько операций последовательно (например, И-НЕ), он может иметь несколько входов (например, схема И с четырьмя входами).

Основные параметры логических элементов:

• напряжение питания, 0 и 1 (номинальные значения и допустимые отклонения)

• потребляемый ток (средний или отдельно в каждом состоянии выхода)

• средняя потребляемая мощность

• время задержки распространения сигнала (выполнение логической операции) – раздельно для переходов 0 – 1 и 1 – 0 или среднее

• коэффициент разветвления по выходу – максимальное число нагрузок (входов других элементов данной серии), которые можно подключить к выходу.

В работе исследуются микросхемы ТТЛ серий 133, 155, 1531, каждая из которых представляет собой 4 элемента «2И-НЕ». Элементы используются в качестве инверторов.

Выполнение работы

1. Установить ручки управления в следующие положения: переключатель режимов работы – в положение «ИЗМЕРЕНИЯ», переключатель типов микросхем в положение «К155ЛА3», регулятор напряжения питания – в крайнее правое положение, регулятор входного напряжения элементов микросхем– в крайнее левое положении, тумблеры подключения входов – отключены (нижнее положение), кнопка включения нагрузки – не нажата.

2. Включить сетевой выключатель (на правой боковой стенке прибора).

3. Включить один из входов микросхемы. Получить данные о зависимости выходного напряжения и тока потребления от входного напряжения. Добившись высокого уровня на выходе, нажать кнопку «ВКЛ» переключателя «НАГРУЗКА» – в этом положении к выходу каждого элемента подключаются нагрузочные резисторы сопротивлением – и зафиксировать величину уменьшения выходного напряжения. Отключить нагрузки, нажав кнопку «ОТКЛ». Отключить вход исследуемого элемента.

4. Повторить измерения пункта 3 для других элементов (микросхем) и других значений напряжения питаний – по указанию преподавателя.

5. Перевести переключатель режимов работы в положение «ГЕНЕРАТОР». При этом 3 элемента исследуемой микросхемы соединяются в кольцо – вход к выходу, тем самым создается генератор на внутренних задержках переключений элементов микросхемы с высокого уровня на низкий и обратно. Подключить гнездо «Выход генератора» к осциллографу (скорость развертки – максимальная). По осциллограмме определить период колебаний . Легко показать, что, где– среднее время переключения элемента с одного уровня на другой.

6. Повторить пункт 5 для других микросхем.

7. По результатам измерений построить графики зависимости выходного напряжения и тока питания от входного напряжения, определить следующие параметры: напряжения высокого и низкого уровней, ток потребления одного логического элемента каждой микросхемы при высоком и низком уровнях на выходе, а также ток для одного элемента в режиме переключения; выходное сопротивление одного логического элемента каждой микросхемы; среднее время переключения.