2.6.2. Схематическая реализация основных логических функций.
Практические схемы, базовые логические функции и устройства реализуются в виде интегральных микросхем различной степени интеграции и на различных полупроводниковых элементах.
Основными параметрами, характеризующими их и, позволяющих произвести правильный выбор элементной базы в зависимости от конкретных требований являются:
Напряжение питания Епит;
Напряжение логического “0”- U0 и логической “1” – U1;
Средняя потребляемая мощность Рпотр;
Быстродействие, характеризуемое или максимальной частотой изменения входного сигнала – Fмах, или средним временем задержки реакции на изменение входного сигнала – tср;
Нагрузочной способностью – Nнагр, характеризуемой допустим числом входов, подключаемых к одному выходу;
Помехоустойчивостью – максимальным уровнем помехи, переводящей состояние логического элемента из одного в другое;
Температурный диапазон работы.
Наибольшее распространение получили цифровые микросхемы, реализованные на:
- диодно-транзисторной логике (ДТЛ);
- транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ);
- коллекторный МОП логике (КМОП);
и их модификациях.
1. Схема базового логического элемента ДТЛ (104 серия).
Схема логического элемента, приведенная на рис.2.64. реализует логическую функцию 2И – НЕ.
Рис.2.64. Схема логического элемента, реализующая логическую функцию 2И – НЕ.
Резистор R1 и диоды VD1, VD2 реализуют функцию 2И, а транзистор VT, работающий в ключевом режиме – операцию НЕ. Диоды VD3 обеспечивают необходимый уровень помехоустойчивости. Так как в прямом направлении на них падает напряжение 1,2V, то помеха должна превышать этот уровень, чтобы изменить состояние VT, а, следовательно, и выходной переменной – j.
Если хотя бы на одном из входов Х низкий уровень сигнала, то базовый ток VT, протекающий от +Епит через резистор R1 – переключается на этот вход и на массу. В результате VT закрыт и на выходе формируется высокий уровень. Если на всех входах одновременно присутствует высокий уровень – то диоды VD1 иVD2 закрыты и базовый ток протекает в базу транзистора и открывает его. На выходе формируется низкий уровень логического нуля. Таким образом реализуется логическая функция И – НЕ. Число входов схемы И может быть наращено увеличением числа диодов VD1,VD2, … . ДТЛ-схемы обладают высокой помехоустойчивостью, но у них мала нагрузочная способность и низка степень интеграции.
Схема базового элемента ТТЛ (133, 155 серии). Схема логического элемента, приведенная на рис.2.65. реализует логическую функцию 2И – НЕ.
Рис.2.65. Схема логического элемента, реализующая логическую функцию 2И – НЕ.
Многоэмиттерный транзистор VT1 реализует функцию И. Его выход нагружен схемой мощного инвертора с двухтактным выходом, реализованным на транзисторах VT2, VT3 и VT4. Если хотя бы на одном из входов низкий уровень сигнала (логический ноль), то базовый ток этого транзистора переключается на этот вход, ток коллектора отсутствует и VT2 – закрыт. В этом случае VT3 – открыт, а VT4 – закрыт и на выходе У формируется высокий потенциал у +Епит. Если же на всех входах (эмиттерах) высокие потенциалы, то базовый ток VT1 переключается в коллектор и открывает VT2. В результате меняется состояние транзисторов VT3 - VT4. VT3 – запирается, а VT4 – открывается и на выходе формируется низкий уровень логического нуля. В результате реализуется логическая функция кИ – НЕ, где к – число входов (эмиттеров) многоэмиттерного транзистора (к=2, 3, 4, 8).
ТТЛ элементы обладают высоким быстродействием и высокой степенью интеграции, но они критичны к напряжению источника питания (+5В± 10%) и обладают большим потреблением тока. Применение диодов Шотки вместо VT1 позволяет снизить потребление в 5 раз.
3. Схема базового элемента КМОП – логики (176, 561 серии).
В этой логике применяют коллекторные МОП полевые транзисторы, что позволяет обеспечить низкое потребление мощности.
Iср.потр.=С*Еnn*f,
где С – паразитная емкость затвор – исток полевых транзисторов; f – частота изменения состояния транзисторов.
Следовательно, в статике эти элементы практически не потребляют энергии. Энергия потребляется в момент переключения на перезаряд паразитных емкостей.
Схема базового элемента, реализующего логическую операцию 2И – НЕ приведена на рис.2.66.
Рис.2.66. Схема базового элемента, реализующего логическую операцию 2И – НЕ.
Логический элемент работает следующим образом. Два транзистора p- типа проводимости (VT1,VT2) соединены параллельно, а два транзистора (n-типа проводимости) VT3, VT4 соединены последовательно. Если на оба входа поданы высокие уровни сигналов (логические единицы) то транзисторы VT1 и VT2 будут закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 будут открыты, и на выходе будет формироваться низкий уровень логического нуля. Если же хотя бы на один из входов будет подан низкий уровень сигнала, то цепь, соединяющая выход У с нулем источника питания будет разорвана из – за запирания транзистора VT3 или VT4, а цепь, соединяющая выход с +Епит будет замкнута, так как откроется или VT1 или VT2 или оба сразу. На выходе будет высокий уровень сигнала. Следовательно, реализуется логическая операция 2И – НЕ.
Элементы КМОП – логики обладают низким потреблением, высокой степенью интеграции и не критичны к питанию (Епит=3….15В), но имеют сравнительно невысокое быстродействие.