8. Элементы цифровой электроники

Общая характеристика

Цифровое представление информации позволяет передавать и обрабатывать ее без искажений. Оно оказывается наиболее рациональным для компьютеров, измерительных приборов, сигналов управления и т.д. В настоящее время цифровые устройства применяются все шире, вытесняя аналоговые устройства, то есть такие, которые используют непрерывные сигналы.

Цифровые микросхемы выпускаются на основе различных полупроводниковых элементов. Наиболее распространены микросхемы двух технологий - ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и КМОП (комплементарные МОП-структуры). ТТЛ реализуется на биполярных транзисторах, КМОП - на полевых. Микросхемы ТТЛ и КМОП работают на основе транзисторных усилителей, которые переключаются между режимами отсечки и насыщения. В некоторых случаях для повышения быстродействия насыщения не допускают, используя режим, близкий к насыщению.

Микросхемы ТТЛ обладают большим быстродействием, но меньшей помехоустойчивостью, и они потребляют больше энергии в сравнении с микросхемами КМОП. В больших интегральных схемах (БИС) преобладают КМОП-структуры, так как размещение на одном кристалле большого количества биполярных транзисторов приведет к его перегреву. При работе с микросхемами КМОП нужно обеспечить отсутствие статического электричества, так как оно может их испортить.

В цифровой форме информация обычно имеет вид последовательности двоичных (логических) чисел 0 и 1. В электронных устройствах нуль чаще всего кодируется низким уровнем напряжения (например, для микросхем ТТЛ от -0,5 до +0,4 В), а единица - высоким уровнем (для ТТЛ от +2,4 до +5,5 В). Такая кодировка называется положительной логикой. Если нулю соответствует высокий уровень напряжения, а единице - низкий, то это называется отрицательной логикой.

Суть цифровой электроники состоит в том, чтобы в соответствии с входными цифровыми сигналами вырабатывать выходные цифровые сигналы. Эти задачи разделяются на два класса: комбинационные и последовательные.

Комбинационные задачи решаются схемами, у которых выходные сигналы соответствуют входным сигналам в настоящий момент времени. Комбинационные схемы реализуют различные функции математической логики.

Последовательные задачи представляют более широкий класс. Выходные сигналы последовательных схем зависят не только от входных сигналов в настоящий момент времени, но и от входных сигналов в предшествующие моменты времени. Иначе говоря, последовательные схемы - это схемы с памятью. Последовательные схемы могут быть собраны на основе элементов комбинационной логики.

Цифровые устройства могут работать в асинхронном или синхронном режиме. В асинхронном режиме командой к изменению состояния выходов элемента цифровой схемы служит изменение входных сигналов этого элемента. Переключение одних элементов может не совпадать по времени с переключением других элементов цепи. В синхронном режиме изменение выходов всех элементов происходит одновременно в момент прихода тактового импульса. Для работы элемента цифровой схемы в синхронном режиме необходимо, чтобы он имел специальный вход для приема тактовых импульсов.

Рассмотрим примеры элементов цифровой электроники.

Элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ

Рис. 8.1. Обозначение элемента И-НЕ на схеме.

Рис. 8.2. Устройство элемента И-НЕ на базе ТТЛ

Элемент И-НЕ (рис. 8.1, 8.2) реализует отрицание логического умножения. В математике эта функция называется штрих Шеффера. В таблице 8.1 показаны значения функции И-НЕ для всех значений аргументов.

Устройство элемента И-НЕ на базе ТТЛ показано на рис. 8.2. Логическую функцию И выполняет многоэмиттерный транзистор VT₁. Когда на всех входах имеются сигналы логической единицы, то все эмиттерные переходы входного транзистора VТ₁ оказываются закрытыми. В этом состоянии транзистор VТ₁ включен инверсно (то есть, эмиттер и коллектор как бы поменялись местами). Ток через резистор R₁ и переход база-коллектор транзистора VТ₁ посту­пает в базу транзистора VТ₂ и насыщает его. На выходе уста­навливается низкое напряжение. Если хотя бы на одном входе оказывается сигнал логического нуля, то соответствующий переход база-эмиттер транзистора VT₁ открывается, и ток через R₁ направляется в этот переход, а не в переход база-коллектор VT₁. Из-за этого ток базы транзистора VТ₂ прекращается, транзистор VT₂ закры­вается, на его выходе устанавливается высокое напряжение.

Элементы И-НЕ бывают не только с двумя, но и с несколькими входами. Все они выдают на выходе отрицание логического произведения всех своих входов.

х1	х2			х1	х2
0	0	1		0	0	1
0	1	1		0	1	0
1	0	1		1	0	0
1	1	0		1	1	0
Табл. 8.1. Таблица истинности функции И-НЕ				Табл. 8.2. Таблица истинности функции ИЛИ-НЕ

Элемент ИЛИ-НЕ реализует отрицание логического сложения (рис. 8.3., табл. 8.2). В математике эта функция называется стрелка Пирса. В таблице 8.2 показаны значения этой функции для всех значений ее аргументов.

Рис. 8.3. Обозначение эле- мента ИЛИ-НЕ на схеме.

Элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ относятся к комбинационной логике. Кроме них, существует множество элементов, реализующих другие логические функции, например, элементы И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, и т.д.

Однако, даже с помощью только одной функции И-НЕ можно реализовать все функции математической логики. То же относится и к функции ИЛИ-НЕ. Поэтому элементы И‑НЕ и ИЛИ-НЕ чаще других применяются при конструировании электронных логических устройств.

Триггеры

S	R	Q
0	0	сохраняется прежнее состояние
0	1	0
1	0	1
1	1	запрещено
Табл. 8.3. Таблица состояний RS-триггера.

Рис. 8.4. Устройство RS-триггеров.

Рис. 8.5. Обозначение RS-триггера.

Триггер - базовый элемент цифровой техники, обладающий двумя устойчивыми состояниями. Состояние триггера определяется не только сигналом на его входе, но и его предшествующим состо­янием. То есть, триггер - элемент последовательной логики. Наиболее типичное применение триггера - элемент памяти.

Простейший RS-триггер состоит из двух элементов ИЛИ-НЕ (рис. 8.4 слева), либо И-НЕ (рис. 8.4 справа), охваченных обрат­ными связями. Условное обозначение RS-триггера показано на рис. 8.5. Черта над буквой или выражением означает знак логического отрицания.

Триггер имеет два входа: S (Set - установка) и R (Reset - сброс), и два выхода: Q и , сигналы которых инверсны друг другу.

		Q
0	0	запрещено
0	1	1
1	0	0
1	1	сохраняется прежнее состояние
Табл. 8.4. Таблица состояний RS-триггера с инверсными входами.

Пусть на входы триггера (рис. 8.4 слева) поданы сигналы S = 1 и R = 0. Тогда на выходе Q логического элемента ИЛИ-НЕ будет сигнал

.

Так как 1 + х = 1, то . На вы­ходе Q получится сигнал

.

При обратных входных сигналах (S = 0, R = 1) получаются обратные выходные сигналы. Если оба входных сигнала одинаковы: S = R = 0, то выходные сигналы остаются такими, какими они были:

; .

Если сигналы R = S = 1, то оба выходных сигнала одинаковы: . После инверсии входных сигналов, когда они станут , триггер с одинаковой вероятностью может перейти в любое состояние. Из-за этой неопределенности сигналы R = S = 1 запрещены. Состояния RS-триггера, собранного из логических элементов ИЛИ-НЕ, приведены в табл. 8.3.

Аналогично работает RS-триггер из логических элементов И-НЕ (рис. 8.4 справа), только он управляется инвертированными сигналами. Состояния такого триггера приведены в табл. 8.4.

J	K	Q
0	0	сохраняется прежнее состояние
0	1	0
1	0	1
1	1	Устанавливается состояние, инвер- сное предыдущему
Табл. 8.5. Таблица состояний JK-триггера.

Рис. 8.6. Обозначение JK-триггера.

JK-триггер имеет два логических входа J (Jump - перескок) и К (Keep - удержание), а также тактовый вход С (Clock - часы), на который подаются тактовые импульсы (рис. 8.6). В JK-триггере устранена неопределенность, возникающая в RS-триггере при одновременном поступлении двух единиц на входы. JK‑триггер в этом случае меняет свое состояние на инверсное с приходом каждого тактового импульса. Состояния JK-триггера представлены в табл. 8.5.

RS-триггеры работают в асинхронном режиме, JK‑триггеры - в синхронном режиме. Кроме RS- и JK-триггеров, существуют также триггеры других типов. В общем же, схемы последовательной логики очень разнообразны.