60. Базисные логические элементы.

В цифровой технике информацию представляют в двоичной системе счисления, т.е. каждая переменная может быть представлена комбинацией нулей и единиц. Для выполнения операций над переменными, представленными в таких кодах применяют логические элементы, которые работают с двумя уровнями сигналов. Один уровень (чаще всего высокий) ставят в соответствие логической 1,а другой - логическому нулю. логические элемент ы позволяют выполнять различныелогические операции над двоичными переменными и позволяют реализовывать логические функции от логических переменных. И,ИЛИ,НЕ простейшиелогические операции.

Устройства, позволяющие выполнять логические операции над логическими переменными, представленными высоким или низки уровнем напряжения, и называются логическимиэлемент ами. Соответствия между значениямилогических переменных и уровнями электрических сигналов условное. Логику, в которой высокому уровню соответствует “1” , называют прямой, в противоположном случае - инверсной.

Мы будем рассматривать логических элементы , работающие в прямой логике.

Основными базисными логическими функциями являются функции типа “и”, “или”, “не”. На основе этих функций могут быть реализованы любые другие, более сложные. Поэтому будем рассматривать логических элемент ы , реализующие эти 3 функции.

логических элемент ы выполняются в интегральном исполнении. Существует несколько серий интегральных логическихэлементов ( К155, К133, К555,...). В каждой серии значительное число элементов представляют элемент ы типа “и”, “или”, “не”. Каждый логическийэлемент , реализующий ту или иную функцию, представляет собой электронную схему, имеющую несколько входов, на которые подаются независимые переменные в виде либо высокого, либо низкого напряжения., и выходов, уровень сигнала на которых может принимать только два значения. Состояние выхода определяется логической функцией и значениями логических переменных на входе. В зависимости от способа схемной реализации различают следующие их типы:

1. Резисторные (РЛ)

2. Диодные (ДЛ)

3. Диодно-резисторные (ДРЛ)

4. Диодно-транзисторные (ДТЛ)

5. Транзисторно-транзисторные (ТТЛ)

Наиболее распространенным типом является 5 , но применяются также и 4. Эти элементы реализуются, как правило, в интегральном виде.

При реализации из отдельных дискретных элемент ов применяют и 3.

Рассмотрим основные типы ДРЛ.

Основными логическими функциями являются функции “и”, “или”.

ФУНКЦИЯ “ИЛИ”

Картинка, Картинка-независимые переменные.




X1

X2

Y

0

0

0

1

0

1

0

1

1

1

1

1



Картинка
А) Если Картинкав цепях диода не будет протекать ток , Картинкана выходе будет 0.

Б) Стоит на один из диодов подать высокий уровень напряжения , соответствующий логической “1” , как в цепи , на которую подали высокий уровень напряжения, откроется диод , Картинкав выходной цепи потечет ток, который будет протекать и через Картинка, создавая на нем высокий уровень напряжения, соответствующий логической “1”.

В) тем более , если Картинка Картинка.

ФУНКЦИЯ “И” Картинка


X1

X2

Y

0

0

0

1

0

0

0

1

0

1

1

1

Картинка

Рис.9.2. ФУНКЦИЯ “И”.

А) Если на оба входа подано низкое Картинка, то это равносильно тому, что оба входа заземлены. При этом диоды Картинкапод действием Картинкаоткрыты и находятся в проводящем состоянии. Через источник питания, Картинкаи открытые диоды будет протекать ток. При этом на выходе напряжение будет равно прямому падению напряжения на диодах. Этот уровень напряжения является низким и соответствует логическому “0”.

Б) Если на один из входов подать логическую “1” Картинка, то соответствующий диод закроется , и через нег не будет протекать ток., но другой диод , на который действует напряжение Картинка, будет оставаться открытым, обеспечивая тем самым низкий уровень напряжения на выходе. Картинка.

В) Только если Картинка, все диоды будут закрыты, не будут шунтировать нагрузку, и на выходе будет высокий уровень напряжения. Картинка.

В рассмотренных схемах количество входов может быть различным в зависимости от числа диодов, включенных параллельно.

Недостатком диодно-резисторной логики является низкий уровень помехоустойчивости. Действие на входе любой импульсной помехи практически сразу же отражается на значении выходного сигнала. Также есть сильная зависимость уровня логической “1” на выходе от сопротивления нагрузки Картинка.

Выходной сигнал для этого вида логики является маломощным. Для повышения мощности выходного сигнала и нагрузочной способности диодные логических элемент ы применяются совместно с транзисторными ключами на выходе. При этом происходит не только усиление сигнала, но и увеличение нагрузочной способности элементов. При этом логический ключ, включаемый на выходе , выполняет логическую функцию “не”. Он инвертирует сигнал .

Следующая схема реализует логическую функцию “или-не”.

Картинка

X1

X2

Y

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

Картинка

Рис. 9.3. Схема “ИЛИ-НЕ”.

Если хоты бы на один из входов подействует высокий уровень напряжения, соответствующий диод откроется, на сопротивлении Картинкабудет высокий уровень напряжения, будет задан необходимый ток базы Картинка, превышающий базовый ток насыщения, транзистор откроется, Картинка.

Аналогичным образом строится схема “И-НЕ”

Картинка

Картинка

Рис.9.4. Построение схемы “И-НЕ”

X1

X2

Y

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

Если на входе -“0” , то в точке соединения анодов диодов будет напряжение, равное прямому падению напряжения на диод, что соответствует логической “0” в диодном элементе. Это прямое напряжение через R2 будет действовать на базу транзистора V. Уровня прямого падения напряжения может быть уже достаточно, чтобы создать ток базы и приоткрыть транзистор, а он в этом случае должен быть закрыт. Для обеспечения надежного закрывания транзистора включают резистор R3, который с R2 образует делитель , который обеспечивает между базой и эмиттером транзистора V напряжение , значительно меньшее, чем прямое падение напряжения. При этом , если V- кремниевый, то он будет закрыт. На выходе - “1”.

При действии хотя бы на одном из входов логической “1” происходит закрывание диода в цепи соответствующего входа, но в точке соединения анодов остается прямое падение напряжения. Остается неизменным и закрытое состояние транзисторного ключа с высоким уровнем напряжения на выходе.

И только при действии логической “1” на всех входах схемы, все диоды закрываются, и от источника питания по цепи “R1-R2” будет создан необходимый ток базы, который переводит транзистор в режим насыщения , открывая его. Картинка.

В схемах логических устройств обычно к выходу каждого логическогоэлемент а подключается несколько входов последующихлогических элементов. Это количество подключаемых последующих входов ограничено нагрузочной способностью и называется коэффициентом разветвления логического элемента.

При изготовлении универсальных логических элементов в интегральном исполнении должен обеспечиваться высокий коэффициент разветвления (для возможности построения схем достаточной сложности). С этой целью в интегральных логических элемент ах в качестве транзисторного ключа применяется ключ не на одном транзисторе, а более сложный, с эмиттерным повторителем на выходе, обеспечивающим малое выходное сопротивление и высокий коэффициент разветвления.

Картинка

Рис. 9.5. ТК в ИМС.

Если Картинка, то транзистор V1 закрыт. Ток в цепи “К-Э” V1 не протекает. В результате падение напряжения на R3 равно нулю. Следовательно , V3 также будет закрыт. При зыкрытии V1 на его коллекторе создается высокий уровень напряжения , который будет поступать на базу V2. V2 включен по схеме с общим коллектором, а V1,V3 - с общим эмиттером. Выходной цепью V2 является цепь эмиттера, причем на эмиттере он будет повторять высокий уровень напряжения базы. Эмиттерный поворитель имеет малое выходное сопротивление: Картинка.

Напряжение эмиттера через диод VD поступает на выход и на нагрузку логического элемента. При этом уровень напряжения логической “1” на выходе будет определяться напряжением питания Картинка,прямое падение напряжение на диоде - Картинка.

Картинка

При напряжении питания 5В уровень “1” составляет при холостом ходе около 4В, а при полной нагрузке - 3,5В. При этом обеспечивается высокий коэффициент разветвления (от 4 до 6).

Если на вход подана логическая “1”, транзистор V1 открывается, цепь между коллектором и эмиттером V1 оказывается замкнутой. Через Картинка, коллектор и эмиттер V1 протекает ток, величина которого будет определяться суммой Картинка. При этом на Картинкабудем иметь падения напряжения , уровень которого достаточен для открывания транзистора V3. V3 будет открыт. Цепь “К-Э” транзистора V3 замкнута, на выходе будем иметь потенциал , приближенно равный 0. В реальных схемах он может достигать уровня Картинка.

Транзистор V2 при этом будет закрыт, поскольку цепь “ К-Э” V1 замкнута. Базы транзисторов V2 и V3 соединены. Картинка, чем и будет обеспечено его закрытое состояние. Диод VD включен в цепь эмиттера для более надежного закрывания V2 ( когда Картинка).

В состоянии “1” на входе цепь не потребляет энергии от источника питания. R4 предохраняет V2 от короткого замыкания на выходе ( возникнет перегрузка по току), когда схема находится в состоянии Картинкана выходе.

Такой ключ может применяться совместно с различными типами логических элемент ов, включаемых на входе ключа .

В большинстве случаев реализации логических элементов в интегральном виде логика реализуется не с помощью диодов, а с помощью транзисторов. Такие логических элемент ы называютэлементами ТТЛ- типа.

Рассмотрим типовую схему логического элемент а ТТЛ типа “И-НЕ”.

В элементах ТТЛ- типа логика реализуется с помощью многоэмиттерных транзисторов.

X1

X2

Y

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

Картинка

Рис.9.6.Принципиальная схема элемент а И-НЕ серии ТТЛ, реализованного с помощью многоэмиттерного транзистора

Многоэмиттерный транзистор имеет область эмиттера, разделенную на несколько изолированных друг от друга частей, каждая из которых имеет свой внешний вывод. Многоэмиттерный транзистор можно представить как параллельное соединение нескольких обычных транзисторов, у которых объединены все базы и все коллекторы .

Многоэмиттерный транзистор выполняет логическую функцию “И” , а инвертор - функцию “НЕ”. Если на входе нули, то оба эмиттера подсоединены на землю; транзистор V1 оказывается включенным по схеме с общим эмиттером. Через R1 от источника питания на базу подается смещение и создается необходимый для насыщения V1 ток базы. V1 будет открыт, т.е. цепь между коллекторами и эмиттерами будет замкнута. На коллекторе V1 получим низкий уровень напряжения, который будет инвертироваться , и на выходе будет “1”.

Если на X1 - высокий уровень, а на X2 - низкий, то эмиттерный переход “Э1-Б” будет закрыт, но переход “Э2-Б” останется смещенным в прямом направлении, цепь между K и Э2 останется замкнутой. Картинканизкое, на выходе - “1”. Аналогично для X2=1,X1=0.

И только если на оба входа X1 и X2 будет подана “1”, оба эмиттерных перехода будут смещены в обратном направлении . Ток через эмиттеры протекать не будет. При этом переход “Б-К” V1 окажется смещенным в прямом направлении , и по цепи [ источник питания КартинкаR1 Картинка “Б-К” Картинкабаза V2 ] будет протекать ток. При этом V1 работает в инверсном режиме, когда коллектор и эмиттер меняются местами . При этом на базе V2 будет высокий уровень напряжения , и транзистор V2 базовым током, протекающим через коллектор V1, будет открыт до насыщения, При этом транзисторный ключ инвертирует сигнал. На выходе - “0”.

Многоэмиттерный транзистор может иметь и больше эмиттеров . Этот элемент является базовым в серии К155 и К133.

На электрических принципиальных схемах внутреннюю структуру логических элемент ов не показывают. Их изображают условно.

Картинка

логических элемент ы могут быть многоступенчатыми, когда над некоторыми группами входных сигналов выполняется одна логическая операция, а над результатом ее выполнения - другая.

Пример: “И-ИЛИ-НЕ” . Картинка

Картинка

V1,V4 выполняют функцию “НЕ”.

“ИЛИ-НЕ” реализуется на параллельном соединении транзисторов V2 и V3.

Картинка

Рис.9.7.Принципиальная схема элемент а И-ИЛИ-НЕ серии ТТЛ[k]


К списку Рандомный вопрос