13.3. Елементи комбінаційної логіки

Л огічний елемент — це електронний пристрій, що реалізує одну з логічних операцій. Якщо значення функції на виході елемента однозначно визначається комбінацією вхідних змінних у даний момент часу, то елемент відноситься до комбінаційної логіки. Хоча будь-який цифровий пристрій і може бути побудований з логічних елементів одного типу, наприклад І — НЕ або АБО — НЕ, на практиці рідко обмежуються одним типом елементів. Промисловість випускає цілі серії інтегральних мікросхем з великим числом логічних елементів.

Рис.13.3. Логічні елементи

На принциповій схемі логічний елемент зображують прямокутником, всередині якого ставиться позначення певної функції. Як правило, лінії з лівої сторони прямокутника показують входи, із правої — виходи елемента. Якщо який-небудь вхід позначений колечком (рис. 13.3, е, з), то це значить, що функція виконується для сигналу низького рівня (негативна логіка). Якщо колечком позначений вихід, то елемент робить логічне заперечення (інверсію) результату операції, зазначеної всередині прямокутника.

На малюнку 13.3. зображені основні логічні елементи, використовувані в цифрових пристроях:

• елемент НЕ (рис. 13.3, a) Y= ;

• елемент І (рис.13.3, б) Y=X1X2;

• елемент АБО (рис. 13.3, в) Y=X1VX2;

• елемент І—НЕ (рис. 13.3, д) Y= , еквівалентний елементу АБО—НЕ (рис. 13.3, е) для сигналів низького рівня (негативна логіка), так як Y= V

• елемент АБО—НЕ (рис. 13.3, ж) Y= . еквівалентний елементу І—НЕ (рис. 13.3, з) для сигналів низького рівня;

• сумматор по модулю 2 (рис. 13.3, г) Y=Х1Х2;

13.4. Логічні елементи інтегрального виконання

Застосовувані в сучасних пристроях цифрової техніки прості і складні логічні елементи і функціональні вузли, а також системи на їхній базі виготовляються методами інтегральної технології. Цифрові мікросхеми випускаються серіями. Кожна серія містить об'єднані по функціональній ознаці групи пристроїв. Основу серії цифрових інтегральних мікросхем складають базові елементи, що реалізують, як правило, логічні операції І—НЕ або АБО—НЕ.

У залежності від компонентів, що містяться в базових елементах, і методу їхнього з'єднання розрізняють ряд типів цифрових інтегральних мікросхем. В даний час поширені мікросхеми транзисторно-транзисторної логіки (типу ТТЛ), що містять багатоемітерні транзистори в перших каскадах елементів. Число емітерів транзисторів, об'єднаних загальною базою, дорівнює 2, 3, 4 чи 8. У залежності від рівня напруги на вході елемента багатоемітерний транзистор працює в прямому (нормальному) чи інверсному (зворотному) включенні. Він виготовляється так, щоб при подачі на емітери напруги високого рівня (інверсне включення) коефіцієнт передачі струму був малим (h_21E=0,005—0,05).

Б азовий елемент I—НЕ мікросхем ТТЛ-типу вміщує вхідний каскад із багатоемітерним транзистором VT1, парафазный підсилювач на транзисторі VT2 і вихідний каскад із транзисторами VT3, VT4 (рис. 13.4).

П

Pиc. 13.4. Базовий елемент ТТЛ

ри напругах високого рівня на обох входах елемента (х₁=х₂=1) відбувається інверсне включення транзистора VT1. Емітери його виконують роль колекторів, колектор — роль емітера. У колі бази транзистора VT2 з'являється струм, достатній для переходу цього транзистора в режим насичення. Струм емітера транзистора VT2 частково відгалужується в коло бази транзистора VT4 і викликає його насичення. В результаті встановлюється низька вихідна напруга.

Напруга між базами транзисторів VT3, VT4 дорівнює напрузі між колектором і емітером насиченого транзистора VT2 (u_KEнас=0,1—0,3 В). Цієї напруги недостатньо для створення прямого струму в колі послідовно включених емітерного переходу транзистора VT3 і діода VD. Струм бази транзистора VT3 відсутній і вихід елемента виявляється відключеним від джерела живлення.

Коли встановлюється стан логічного 0 хоча б на одному з входів, з'являється струм у колі одного з емітерів транзистора VT1. У колі колектора цього транзистора й у колі бази транзистора VT2 струм відсутній. Транзистор VT2 закривається, одночасно відбувається запирання транзистора VT4. Вихід елемента відключається від загального проводу. По резисторі R2 проходить струм бази транзистора VT3. Транзистор переходить у режим насичення. Через відкритий транзистор VT3 і резистор R4 вихід з'єднується з джерелом живлення.

Мікросхеми ТТЛ-типу складають не менш половини виготовлених цифрових мікросхем. У них вдало поєднується швидкодія, перешкодостійкість, навантажувальна здатність з помірним споживанням енергії і невисокою вартістю.

О станнім часом велике поширення одержали цифрові інтегральні мікросхеми типу КМОН. Технологія МОН-транзисторів простіша, а розміри їх менші, ніж біполярних, і тому на одиниці площі кристалу вдається розмістити велику кількість елементів. Ефективним є спільне включення структур з каналами протилежних типів провідності, що створюються на загальній підкладці.

Рис. 13.5. Базові елементи І-Не, (а) і АБО—НЕ (б) КМОН-логіки

Для утворення елемента І-НЕ (рис. 13.5, а) або АБО-НЕ (рис. 13.5, б) КМОН-типу організовують двоповерхові щодо зовнішнього виводу кола структури. Елемент І-НЕ містить паралельно включені транзистори з каналами р-типу на верхньому поверсі і послідовно з'єднані з каналами п-типу на нижньому. У елементі АБО-НЕ навпаки: верхній поверх містить транзистори з каналом р-типу, включені послідовно, нижній – транзистори п-типу, з'єднані паралельно.

В елементі І-НЕ напруга високого рівня на обох входах (х₁=х₂=1) викликає запирання транзисторів VT1, VT2 і появу каналів у транзисторах VT3, VT4. Встановлюється низький потенціал виходу (Y=0). Якщо хоча б на одному з входів виявиться напруга низького рівня, то відмикається один із транзисторів верхнього поверху (VT1 при X1=0, VT2 при X2=0) і вихід з'єднується з джерелом живлення. Один з транзисторів нижнього поверху закритий, з'єднання з загальним доводом немає.

Подібним чином працює елемент АБО-НЕ. Коли хоча б на одному з входів з'являється напруга високого рівня, виникає канал у транзисторі нижнього поверху і вихід з'єднується з загальним проводом. З'єднання з джерелом живлення відсутнє, тому що обов'язково один із транзисторів верхнього поверху знаходиться в закритому стані. Напруги низького рівня на обох входах викликають появу каналів у транзисторах VT1, VT2 верхнього поверху і з'єднання виходу з джерелом живлення. Два транзистори нижнього поверху в цей час закриті.

Цифрові мікросхеми КМОН-типу володіють рядом позитивних властивостей. У статичному режимі вони майже не споживають потужності, мають високий вхідний і низький вихідний опір, велику (до 100) навантажувальну здатність, високу перешкодозахищеність. Рівень вихідної напруги, що відповідає логічній 1, практично дорівнює напрузі живлення. Гранична відкриваюча напруга для транзисторів, що визначає верхній рівень логічного 0, складає 1,5—3 В. Сучасні мікросхеми цього типу працюють при напругах живлення від 3 до 15 В, багато при напрузі 9 В. Це дає можливість стикувати їх з мікросхемами ТТЛ-типу й операційними підсилювачами. Однак швидкодія мікросхем такого типу менша, ніж мікросхем ТТЛ, що є їхнім основним недоліком.

З метою підвищення швидкодії були розроблені мікросхеми емітерно-зв'язаної логіки (ЕЗЛ), що містять перемикачі струму з об'єднаними емітерами. Час затримки в них знижено внаслідок відмовлення від режиму насичення в транзисторах, що виключило процеси розсосування носіїв заряду, які накопичуються в базі транзистора, зменшення до часток вольта необхідних для переключення елемента перепадів напруги, установки на виходах елементів емітерних повторювачів.

Пошуки шляхів підвищення швидкодії цифрових мікросхем і зменшення споживаної ними потужності привели до створення в середині 70-х рр. минулого століття мікросхем інтегрально-інжекційної логіки (І²Л). Типовий елемент І²Л — інвертор з декількома виходами. Вихідною схемою для його утворення є схема інвертора на транзисторі з двома колекторами (рис. 13.6, а). Елемент НЕ інжекційної логіки (рис. 13.6, б) замість резистора R1 містить генератор струму на транзисторі VT1. Коли рівень напруги на вході низький, струм генератора проходить через коло, що підключається до входу. Струм бази транзистора VT2 відсутний, тому що для його появи необхідна напруга не менш 0,7 В; транзистор VT2 у цей час закритий. Коли відбувається розмикання вхідного кола, струм генератора на транзисторі VT1 проходить у колі бази транзистора VT2. Встановлюється режим насичення. Колектори транзистора VT2 виявляються з'єднаними з загальним проводом.

Рис. 13.6. Базовий елемент інжекційної логіки:

а — вихідна схема, б — інвертор

Висока швидкодія (1—5 нс на елемент) забезпечується малими перепадами напруги на вході (0,1 В—0,7 В), невеликими паразитними ємностями в колі, відсутністю нагромадження зарядів. Виключення резисторів з кола забезпечило зменшення споживаної мікросхемами потужності. Об'єднання емітерів і баз транзисторів базових елементів дозволило домогтися високої щільності розташування елементів (до 1000 элементів/мм²) і створити великі (ВІС) і надвеликі (НВІС) мікросхеми.