4.1. Загальні відомості

Логічний елемент – це електронна схема, що реалізує певну перемикальну функцію.

Логічні елементи являють собою електронні пристрої, у яких оброблювана інформація закодована у вигляді двійкових чисел, відображуваних напругою (сигналом) високого і низького рівня.

Термін «логічні» прийшов в електроніку з алгебри логіки, що оперує зі змінними величинами і їхніми функціями, що можуть приймати тільки два значення: «істинно» чи «хибно». Для позначення істинності чи хибності висловлювань використовують відповідно символи 1 чи 0. Кожна логічна змінна може приймати тільки одне значення: 1 чи 0. Ці двійкові змінні і функції від них називаються логічними змінними і логічними функціями. Пристрої, що реалізують логічні функції, називаються логічними або цифровими пристроями.

При створенні сучасних цифрових приладів відбувається характерний перехід її елементної бази на сучасну інтегральну технологію. Це дозволяє зменшувати число ланок, підвищувати надійність і відповідно знижувати масу і габаритні розміри ЦВП.

Основою інтегрованої елементної бази ЦВП, до якої відносяться різноманітні тригери, лічильники імпульсів, регістри, дешифратори, мультиплексори, компаратори, постійні запам’ятовуючі пристрої (ПЗП) тощо, є різноманітні транзисторні ключі логічні елементи для створення простих логічних елементів – НІ, І, АБО та І-НЕ, АБО-НІ, які в свою чергу є також елементною базою для вище перерахованих приладів.

4.2. Транзисторний ключ

Перший біполярний транзистор було розроблено у 1948 році в США. За цей винахід американські вчені Д. Бардін, У. Браттейн були нагороджені Нобелівською премією, що показує важливість їх роботи в створені принципово нових напрямків розвитку науки і техніки. Біполярні транзистори є напівпровід-никовими підсилювальними приладами універсального призначення які широко використовується в різних типах підсилювачів, генераторів, логічних та імпульсних пристроях.

Ключем прийнято називати пристрій, який призначений для вмикання та вимикання кола навантаження під дією управляючих сигналів. На рис. 4.1 зображена схема транзис-торного ключа на біполярному транзисторі.

Найбільш поширена схема транзисторних ключів є схема із спільним емітером (СЕ). цій схемі вихідний струм значно більший вхідного , оскільки , ,

де β – статичний коефіцієнт підсилення струму бази. У поширених біполярних транзисторах β = 10–100.

Р

І_К

ис 4.1. Схема біполярного ключа із спільним емітером (СЕ)

Вхідна напруга U_вх прикладена до (n-р) переходу емітер-база, а вихідна напруга U_вих до емітер-колекторного переходу, адже вона може бути значно більшою від вхідної.

Тому для транзисторного ключа коефіцієнт підсилення по напрузі К_U – дорівнює:

Внаслідок цього і коефіцієнт підсилення потужності в схемі з СЕ буде становити:

Транзистор VТ1 може перебувати у закритому чи відкритому стані (основний принцип роботи транзисторного ключа). Якщо на вхід транзистора не надходить вхідний сигнал (U_вх = 0 – в цьому випадку стан транзистора – закритий, в наслідок цього крізь нього не проходить струм.

При наявності резистора R_К, колекторного навантаження, на виході транзисторного ключа формується сигнал високого рівня тому, що

Якщо на вхід транзисторного ключа подати сигнал рівня достатнього для повного відкриття транзистора U_від. (у сучасних транзисторах малої і середньої потужності він становить – 0,6-1 В, а для транзисторів великої потужності – 1-2 В), в колекторному колі буде протікати струм , який на резисторі R₃ відтворює падіння напруги U_R3.

У цьому разі U_вих = U_ке = Е_жив – U_R3.

Падіння напруги на колекторно-емітерному переході у більш сучасних транзисторах знаходиться у межах (0,2...1В) в залежності від типу транзистору. Також від типу транзистора, який використовується у схемі ключа, рівень логічного “0” теж знаходиться в межах 0,2–2В.

Транзисторний ключ виконує операцію “заперечення” і виступає у ролі інвертора. Таким чином можна зробити висновок. Що транзисторний ключ формує вихідні сигнали рівня логічної “1” або логічного “0”, в залежності від вхідного сигналу. Тому, логічний перехід повинен бути достатньо великим, щоб одиниці і нулі чітко вирізнялись один від одного і щоб випадкові завади не перетворювали один рівень в інший.

Т ак, великого поширення набули електронні ключі, виконані на польових транзисторах МДН – структури метал-оксид-напівпровідник. На базі МДН – транзисторів створюють ключі близькі до ідеальних (рис.4.3).

Рис.4.3. Схеми транзисторних ключів на польових

транзисторах МДН – структури

Принцип роботи ключових схем з використанням польових транзисторів відповідає схемам з використанням біполярних транзисторів коли ключ увімкнутий то його опір практично дорівнює нулю, а коли вимкнутий – він становить близько 10¹² Ом, тобто безмежно великий. В схемах на польових транзисторах роль резистора навантаження R, часто виконує допоміжний транзистор VТ1 (рис.4.4).

.

Рис. 4.4. Схеми транзисторних ключів на польових транзисторах МДН – структури.