4.1. Логические элементы

Логический элемент – это электронное устройство, реализующее одну из логических операций. Если значение функции на выходе элемента однозначно определяется комбинацией входных переменных в данный момент времени, то элемент относится к комбинационной логике.

На принципиальной схеме логический элемент изображают прямоугольником (по российской системе ЕСКД и европейской DIN), внутри которого ставится изображение указателя функции. Обычно линии с левой стороны прямоугольника показывают входы, с правой – выходы элемента. Если окружностью обозначен выход, то элемент производит логическое отрицание (инверсию) результата операции, указанной внутри прямоугольника.

Хотя любое цифровое устройство и может быть построено из логических элементов одного типа, например И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, на практике редко ограничиваются одним типом элементов [1].

В таблице 4.1 представлены основные логические элементы, используемые в цифровых устройствах.

Рассмотрим устройство и принцип работы базовых логических элементов наиболее распространенных типов цифровых микросхем.

Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). На рис. 4.1, а показана схема логического элемента И-НЕ ТТЛ с многоэмиттерным транзистором VT1 на входе (его отличие заключается в том, что инжекция носителей заряда в базу осуществляется через несколько самостоятельных эмиттерных р-n-переходов) и простым однотранзисторным ключем на выходе. Принцип действия этой схемы при различных входных сигналах показан на рис. 4.1, б, в, г.

Таблица 4.1

Логическая функция	Обозначение в DIN-стандарте	Обозначение в ANSI-стандарте	Таблица истинности
Инвертор (НЕ)			X Y 0 1 1 0
И			A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
И-НЕ			A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
ИЛИ			A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
ИЛИ-НЕ			A B Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
ИСКЛЮЧА-ЮЩЕЕ ИЛИ			A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Как следует из рис. 4.1, б, логическая единица , поступившая на входы VT1, запирает все эмиттерные переходы. Ток, текущий через резистор R_б, замкнется через открытые р-n-переходы – коллекторный VT1 и эмиттерный VT2. Этот ток откроет транзистор VT2, и напряжение на его выходе станет близким к нулю, т. е. (рис. 4.1, б). Если же на все или хотя бы на один вход VT1 будет подан сигнал (рис. 4.1, в, г), то ток, текущий по R_б, замкнется через открытый эмиттерный переход VT1. При этом входной ток VT2 будет близок к нулю, и выходной транзистор окажется запертым, т. е. . Таким образом, в рассмотренной схеме осуществляется логическая операция И-НЕ Следует отметить, что если входы транзистора VT2 оставить свободными и не подключать к источнику сигнала, то это будет воспринято элементом как наличие логических 1 на его входах. Ток, текущий через R_б, в этом случае откроет VT2, и на его выходе появится сигнал . Рассмотренная схема базового элемента ТТЛ с простым инвертором находит ограниченное применение только в качестве схемы с открытым коллектором. В этих схемах R_K внутри микросхемы отсутствует и нагрузкой ключа является внешний потребитель: элемент индикации (лампочка, светодиод) или исполнительное устройство (электромагнит, реле и пр.).

Рис. 4.1. Принцип действия элемента И-НЕ на базе ТТЛ

Улучшающим свойства ТТЛ микросхем, является введение в них диодов Шоттки, имеющих структуру металл–полупроводник. Эти диоды шунтируют коллекторные переходы ключевых транзисторов, предотвращая их насыщение. Благодаря этому время задержки распространения сигнала уменьшается почти в три раза. ИМС с диодами Шоттки сейчас повсеместно вытесняют микросхемы, выполненные по обычной ТТЛ технологии.

Базовый элемент на КМОП структурах. Структура из двух комплементарных МОП-транзисторов, являющаяся идеальным переключателем напряжения, положена в основу базовых элементов И-НЕ (рис. 4.2, а) и ИЛИ-НЕ (рис. 4.2, б). Как видно из этих схем, для реализации функции И-НЕ используется параллельное включение транзисторов р-типа и последовательное (каскадное) включение транзисторов n-типа. При этом каждый входной сигнал подается на пару транзисторов с каналами различной проводимости. Так, переменная Х1 поступает на транзисторы VT1 и VT4, Х2 на VT2 и VT5, Х3 на VT3 и VT6. При поступлении на все входы сигналов логической единицы Х1=Х2=Х3=U¹_вх закроются все транзисторы р-типа (VT1, ..., VT3) и откроются транзисторы с каналом n-типа (VT4, ..., VT6). В результате выход элемента соединится с общим проводом и выходное напряжение станет равно U⁰_вых. Если же напряжение хотя бы на одном из входов, например Х1, останется низкого уровня, то закроется n-канальный транзистор VT4 и откроется р‑канальный транзистор VT1, через который выход элемента подключится к источнику питания. Таким образом, на выходе будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической единице.

Рис. 4.2. Реализация базовых элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ на базе КМОП

Для реализации базового элемента ИЛИ-НЕ (рис. 4.2, б) необходимо поменять местами параллельные и последовательные участки схемы и заменить в каждой группе (параллельной и последовательной) транзисторы с каналами одного типа на транзисторы с каналами противоположного типа проводимости.

Прочие типы базовых элементов. Микросхемы, выполненные по ТТЛ и КМОП технологии, обладают хорошими эксплуатационными показателями и поэтому получили наиболее широкое распространение. Однако в настоящее время применяют и другие типы микросхем. Например, там, где требуется повышенное быстродействие, находят применение микросхемы, выполненные по ЭСЛ технологии. Это микросхемы на п‑р‑n‑транзисторах с общим проводом, соединенным с коллекторными цепями. Большое быстродействие достигается за счет работы транзисторов в активном режиме без перехода в режим насыщения. Однако работа в активном режиме приводит к резкому уменьшению помехоустойчивости и значительному увеличению потребляемой мощности.

Еще одним направлением биполярной логики является использование технологии интегральной инжекционной логики – И²Л. Базовый элемент этой логики содержит два биполярных транзистора различной структуры (п-р-п и р-п-р) и диоды Шоттки. Такие элементы при очень малой потребляемой мощности обладают достаточно высоким быстродействием. Кроме того, этот элемент занимает на кристалле очень маленькую площадь, что позволяет создавать микросхемы высокой степени интеграции.

В заключение параграфа приведем таблицу основных параметров базовых логических двухвходовых элементов широко распространенных и перспективных типов (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Параметры наиболее распространенных логических элементов

Параметр	ТТЛ	ТТЛШ	КМОП	ЭСЛ	И2Л
Предельная частота сигналов, МГц	15	50	1...5	300	30
Потребляемая мощность, мВт	10	2...20	0,001	25...40	0,2
Напряжение питания, Еп, В	5±5%	5±5%	3...15	- 5,2±5%	–
Уровень логического 0, В	0,4	0,5	< 0,1	– 1,65	–
Уровень логической 1, В	2,4	2,7	~ Еп	– 0,96	–
Площадь, занимаемая элементом, 10-3 мм2	12...38	–	6...19	12...31	2,5...3,7
Наиболее распространенные серии	К155, К131	К555, К531	К176 К561	К500, К100	– –