6.5. Логічні перетворення цифрових сигналів і базові логічні елементи

Логічні перетворювачі електричних сигналів є основою побудови всіх цифрових схем і пристроїв. За формальними ознаками вони підпадають під узагальнену структурну схему (див. рис. 6.1), оскільки перетворення відбувається на нелінійних елементах і передбачає одночасну дію не менше двох сигналів на вході для здобуття після перетворення одного сигналу на виході перетворювача. Інверсія як окремий випадок може розглядатися за умови, що другий сигнал дорівнює першому.

Теоретичною основою побудови логічних перетворювачів є алгебра логіки (Булева алгебра) і теорія перемикальних функцій, а технічною — електронні ключі, тобто такі нелінійні елементи, які можуть перебувати в одному з двох станів — закритому або відкритому. Перехід ключа з одного стану в інший відбувається під дією вхідних сигналів. Цим двом станам відповідають два фіксовані значення вихідної величини (наприклад, високий або низький потенціал, наявність чи відсутність імпульсу).

Відповідно до способів технічного відображення змінних величин логічні перетворювачі або логічні елементи цифрової техніки бувають потенціальні, імпульсні, імпульсно-потенціальні, динамічні, фазові.

У потенціальних елементах вхідні та вихідні сигнали характеризуються різними рівнями електричного потенціалу. Якщо в основу побудови потенціальних елементів покладено позитивну логіку, то високому рівню сигналу відповідає логічна одиниця (1), а низькому — логічний нуль (0). При негативній логіці — навпаки.

В імпульсних елементах логічна одиниця характеризується наявністю імпульсу, а логічний нуль — його відсутністю.

В імпульсно-потенціальних елементах на входи подаються як потенціали певного рівня, так й електричні імпульси, причому вхідні сигнали, що є комбінаціями логічних нулів та одиниць, мають, як правило, імпульсний характер.

У динамічних елементах логічна одиниця характеризується серією імпульсів, а логічний нуль — її відсутністю або навпаки.

У фазових елементах сигнали характеризуються гармонічною функцією, наприклад sinωt Логічній одиниці або нулю тут відповідають певні фази напруги відносно опорної фази.

За схемною реалізацією розрізняють діодну, транзисторну, діодно-трапзисторну, транзисторно-транзисторну логіку тощо.

Залежно від того, яку логічну функцію реалізують елементи, їх поділяють на одно-, двоступеневі тощо. В одноступеневій логіці реалізуються функції:

І — логічне множення (кон'юнкція) Y = X₁ X₂;

АБО — логічне додавання (диз'юнкція) Y= X₁ Х₂;

НЕ — логічне заперечення (інверсія) Y = ;

АБО — НЕ — операція Пірса (інверсія диз'юнкції) ;

І — НЕ — операція Шефера (інверсія кон'юнкції) .

На рис. 6.15 показано умовні графічні зображення на схемах логічних елементів, що реалізують ці функції, а табл. 6.1 є таблицею їх істинності.

Розрізняють функціонально повні та неповні системи логічних елементів. Функціонально повна — це система логічних елементів, використовуючи яку можна реалізувати будь-яку складну логічну функцію. Оскільки будь-які логічні функції є комбінаціями найпростіших, набір елементарних функцій І, АБО, НЕ є функціонально повним. Однак набори І — НЕ та АБО — НЕ також функціонально повні, тому що відповідним з'єднанням елементів, як показано на рис. 6.16, можна реалізувати всі три найпростіші логічні функції. Оскільки в технологічному відношенні простіше мати в основі побудови цифрових пристроїв один елемент, а не три, з елементів І — НЕ та АБО — НЕ побудовано серії мікросхем, тобто ці елементи стали базовими для побудови різних пристроїв у межах своїх серій.

Рис. 6.15. Умовні графічні зображення на схемах логічних елементів І (а), АБО (б), НЕ (в),

І–НЕ (г), АБО–НЕ (д)

Розглянемо принцип дії та принципові схеми логічних елементів на прикладі транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ).

Принципові схеми найпростіших логічних елементів ТТЛ зображено на рис. 6.17. Для побудови елемента І (рис. 6.17, а) два транзистори з'єднують послідовно і переводять у ключовий режим, тобто за відсутності сигналу транзистори закриті. Через транзистори проходить струм і на резисторі з'являється напруга лише тоді, коли на обидві бази одночасно будуть подані сигнали високого потенціалу, тобто тільки при сигналі 1 на входах Х₁ ,Х₂ на виході Y елемента матимемо теж сигнал 1.

Д ля побудови елемента АБО два транзистори (рис. 6.17, б) з'єднують паралельно. В цьому разі при появі сигналу на будь-якому із входів Х₁ Х₂ через резистор проходитиме струм.

Елемент НЕ (рис. 6.17, в) — це звичайний аперіодичний підсилювач, що працює в ключовому режимі. Тут використовується властивість підсилювача змінювати фазу сигналу на протилежну, тобто коли транзистор закритий, що відповідає низькому (нульовому) рівню

Рис. 6.16. Приклади реалізації найпростіших функцій І (а), АБО (б), НЕ (в) з’єднанням

базових елементів І–НЕ

сигналу на вході X, на його колекторі (виході Y) буде високий потенціал і навпаки.

Рис. 6.17. Спрощені логіні елементи І (а), АБО (б), НЕ (в), побудовані на біполярних

транзисторах

Принципову схему базового логічного елемента мікросхем серії К155 показано на рис. 6.18. Це елемент І — НЕ, побудований на багатоемітерному транзисторі YТ1 із підсилювачем потужності на транзисторах YТ2, YТЗ та YТ4.

Рис. 6.18. Принципова схема базового логічного елемента І–НЕ мікросхем серії К155

При подачі на входи елемента напруги 3,2 В (рівень логічної одиниці) емітерні переходи транзистора YТ1 (рис. 6.19, а) закриваються (потенціали емітерів вищі за потенціали бази), а

колекторний p-n - перехід зміщується в пропускному напрямку (потенціал колектора нижчий за потенціал бази). Внаслідок цього базовий струм 1 мА транзистора YТ1 проходить через колекторний p-n - перехід у базу транзистора YТ2, колекторний струм якого досягає насичення, а напруга на виході елемента (0,4 В) стає нижчою за рівень логічного нуля.

Рис. 6.19. Спрощені схеми, що ілюструють роботу базового логічног елемента І–НЕ

Якщо хоч на одному з входів елемента діє напруга 0,4 В (рівень логічного нуля), то відповідний емітерний р-n - перехід транзистора YТ1 (рис. 6.19, б) відкривається і струм бази проходить через нього. Струми в колі колектора транзистора YТ1 й у колі бази транзистора YТ2 практично відсутні, а тому транзистор YТ2 закритий і напруга на виході елемента (3,2 В) відповідає рівню логічної одиниці.

Промисловість випускає мікросхеми з базовими логічними елементами (перетворювачами цифрових сигналів) на два, три, чотири та вісім входів.