5.2. Логические элементы

Цифровые сигналы отражают (кодируют) числовые значения реальных физических величин. Наряду с ними в цифровых устройствах действуют сигналы, появление которых связано с наступлением или не наступлением какого либо события. Например, на выходе устройства, сравнивающего два цифровых кода, появится символ «1», когда эти коды совпадут, и будет действовать символ «0», пока цифровые коды различны. Данная единица является логическим сигналом, свидетельствующим о том, что ожидаемое событие совершилось. К цифровому значению сравниваемых сигналов эти символы никакого отношения не имеют.

Основу логических операций составляет алгебра логики Дж. Буля, которая оперирует двоичными переменными. В соответствие с ее положениями истинному высказыванию (наступлению события) ставится в соответствие символ «1» (точнее логическая единица), а ложному высказыванию – символ «0» (логический нуль).

В электрических цепях двоичные символы представляются сигналами разных уровней: логическая «1» представляется, как правило, высоким уровнем потенциала (часто импульсом), логический «0» – низким (часто нулевым) уровнем потенциала.

Основу алгебры логики составляют три основные логические операции, позволяющие описать функционирование электрической цепи, радиотехнического устройства и т.д. Это операции: ИЛИ (логическое сложение или дизъюнкция); И (логическое умножение или конъюнкция); НЕ (логическое отрицание или инверсия).

Все логические операции над логическими переменными выполняются логическими элементами, условно называемыми в цифровой технике схемами (устройствами) И, ИЛИ, НЕ.

Логический элемент ИЛИ имеет два и более входов Х₁, Х₂, .. и один выход Y. Условное графическое изображение элемента с двумя входами приведено на рис. 5.2, а. Операция ИЛИ для двух сигналов имеет вид Y = Х₁ + Х₂.

Наиболее просто операция реализуется на диодах (рис. 5.2, б).

Если логическая единица (уровень напряжения, соответствующий логической 1) присутствует на первом (Х₁) или втором (Х₂), или обоих входах одновременно, то на выходном сопротивлении сформируется единичный уровень выходного напряжения Y. Элементу ИЛИ соответствует таблица истинности или таблица состояний (рис.5.2, в).

Логический элемент И имеет два и более входов Х₁, Х₂, .. и один выход Y. Условное графическое изображение элемента с двумя входами приведено на рис. 5.3, а. Операция И имеет вид Y = Х₁ · Х₂.

Наиболее просто операция реализуется на диодах (рис. 5.3, б). Если логический нуль (уровень напряжения, соответствующий логическому «0») присутствует на первом (Х₁) или втором (Х₂) входе, или обоих входах одновременно, то один из диодов или оба диода открыты, потенциал их анода (анодов) равен нулю и на выходном сопротивлении действует нулевой уровень выходного напряжения Y.

На выходном сопротивлении будет действовать единичный уровень Y (уровень напряжения, соответствующий логической «1»), если и на первом (Х₁) и на втором (Х₂) входе одновременно действуют уровни логической 1. Только в этом случае оба диода будут закрыты, по цепи делителя потечет ток, и на выходе будет действовать единичный уровень выходного напряжения Y. Элементу И соответствует таблица истинности (рис.5.3, в).

Логический элемент НЕ (инвертор) инвертирует выходную величину в соответствии с формулой (игрек равен не икс). Операция отрицания на графическом изображении элементов отображается кружком (рис.5.4).

Операцию отрицания выполняют транзисторные ключи (рис. 5.4, в), в качестве которых используются транзисторные усилительные каскады.

При нулевом входном потенциале транзистор полностью закрыт (находится в режиме отсечки), что обеспечивается подбором базового сопротивления. Ток коллектора практически равен нулю, напряжение на коллекторе равно напряжению источника, а на выходе схемы действует выходной потенциал, соответствующий логической единице. При действии на входе ключа уровня логической единицы транзистор переходит в режим насыщения (полностью открывается) и потенциал его коллектора становится близким к нулю.

Современные логические элементы выполняются в виде интегральных схем, в которых основная роль выполняется транзисторами. Они являются так называемыми динамическими сопротивлениями, а при замкнутом с базой коллекторном переходе - диодами. Широкое применение нашли схемы на полевых транзисторах, технология изготовления которых проще, чем биполярных транзисторов.

В практических схемах цифровой логики используются две базовые схемы логических элементов: И -– НЕ (рис.5.4, а) и ИЛИ – НЕ (рис.5.4, б).

В настоящее время производится большое количество цифровых логических микросхем, отличающихся типами применяемых полупроводниковых элементов и, соответственно, логикой, например, ТТЛ, МДП. Знание логики микросхем важно: элементы одной логики (одной серии, или группы серий) не требуют согласования, напротив, при использовании микросхем разной логики обязательно применение устройств согласования по видам и уровням сигналов.

Логические элементы характеризуются рядом параметров, к основным из которых относятся:

коэффициент объединения по входу К_ОБ равен числу логических входов элемента и определяет наибольшее число переменных функции, которую можно выполнить на этом элементе;

коэффициент разветвления по выходу К_РАЗ характеризует нагрузочную способность элемента (сколько элементов можно подключить к выходу);

быстродействие обычно оценивают полусуммой задержек перепадов на выходе элемента относительно входных перепадов напряжений;

помехоустойчивость – наибольшее напряжение помехи, которое еще не вызывает переключения элемента из состояния «0» в состояние «1».