2.3 Цифровые логические элементы

Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим операциям над логическими переменными 0 и 1, Такие операции реализуются логическими элементами в соответствии с формулами алгебры логики. В идеализированных схемах логические элемен­ты могут быть представлены моделями вида (рис. 2.6., а), т.е. условными графическими обозначениями — прямоугольниками, в которых ставится символ выполняемой операции, а на линиях входных и выходных перемен­ных могут изображаться кружки (индикаторы инверсии), если данная пере­менная входит в формулу зависимости выходной переменной от входных в инверсном виде.

x₁

x₂

*

x₁

x₂

*

F

t₃

a б

Рис. 2.6. Обозначение идеализированного логического элемента (а) и модель логического элемента с фиксированной задержкой (б)

В реальных условиях логические переменные 0 и 1 отображаются, как пра­вило, двумя различными уровнями напряжения: u₀ и U₁. Переход от логи­ческих переменных к электрическим сигналам ставит вопрос о логических соглашениях. Необходимо условиться, какой из двух уровней напряжения принять за U₀ и какой за U₁. Существуют соглашения положительной и от­рицательной логики. В положительной логике U₁ > U₀, а в отрицательной u₁ < u₀. Один и тот же элемент, в зависимости от принятого логического соглашения, выполняет различные логические операции. Переход от операции в положительной логике к операции в отрицательной производится ин­вертированием всех переменных.

В дальнейшем, если не оговорено иное, будем пользоваться соглашением положительной логики.

Наряду с обозначениями U₁ и u₀ могут быть использованы и обозначения вы­сокого и низкого уровней напряжения соответственно как Н (High) и L (Low).

Цифровые элементы. Классификация и основные параметры. Цифровые логические элементы на интегральных микросхемах (ИМС) — это микроэлектронные изделия, предназна­ченные для преобразования и обработки цифровых сигналов. В зависимости от вида управляющих сигналов цифровые ИМС можно разделить на три группы: потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные.

Подавляющее большинство логических элементов относится к потенциаль­ным, в них используются только потенциальные сигналы и совсем не используются импульсные сигналы.

В импульсных цифровых ИМС используются только импульсные сигналы и совсем не используются потенциальные. В таких ИМС управление осуществля­ется по перепаду потенциала во время импульса. При этом могут использовать­ся как положительные перепады, обозначаемые , так и отрицательные, обозначаемые .

В импульсно-потенциальных ИМС могут использоваться как потенциальные, так и импульсные сигналы. При этом импульсные входы, управляемые перепадом напряжения, обозначают косой чертой, указывающей направление перепада напряжения ( / или \ ).

Одни и те же преобразования логических переменных можно задать в раз­личных формах: с помощью операций И, ИЛИ, НЕ (булевский базис), опе­рации И-НЕ (базис Шеффера), операции ИЛИ-НЕ (базис Пирса), а также многими другими способами. Выбор базиса зависит от простоты реализации той или иной операции с помощью цифровых ИМС. Чаще всего встречаются базисы Шеффера и Пирса. В развитых сери­ях стандартных ИС наряду с базовыми логическими элементами обычно имеется и ряд других, выполняющих другие логические операции.

Быстродействие или даже работоспособность ЦУ зависит от задержек сиг­налов в логических элементах и линиях связей между ними. Реальные пере­ходные процессы в логических элементах достаточно сложны, и в моделях они отображаются с той или иной степенью упрощения. В простейшей мо­дели динамические свойства элемента отражаются введением в его выход­ную цепь элемента задержки сигнала на фиксированное время t_з (рис. 2.6,б). В силу простоты такая модель находит применение на практи­ке, несмотря на то, что она является грубой и не учитывает ряд существен­ных факторов: технологического разброса задержек элементов, зависимости их от направления переключения элемента (из 0 в 1 или из 1 в 0), зависимо­сти их от емкостной нагрузки, которая может быть резко выраженной и т. д. Например, для элементов КМОП задержка пропорциональна емкости на­грузки. Простейшая модель не учитывает также фильтрующих свойств ре­альных элементов, благодаря которым короткие входные импульсы, обла­дающие малой энергией, не способны вызвать переключение элемента.

Применение более точных моделей задержек сопровождается усложнением расчетов при анализе работы ЦУ и характерна для САПР.

Для правильного проектирования и эксплуатации ЦУ необходимо знать систему параметров логических элементов, которые оговариваются в технических условиях (ТУ).