4.3. Логічні елементи

Схеми логічних елементів (АБО) та (І) можуть бути виконані на резисторах (резисторна логіка), на діодах (діодна логіка), на транзисторах (транзисторна логіка).

Широкого поширення ця логіка набула у інверторних схемах, для утворення логічних елементів (АБ-НІ) та (І-НІ).

На даний час, практично при розробці та виготовленні

логічних елементів, резисторна та діодна логіка не використовується, а використовується переважно транзистор-транзисторна логіка, але принцип дії багатовхідних логічних елементів більш доцільно розглянуто на прикладі діодної логіки.

На рис.4.5. зображені схеми (АБО та (І) на діодній логіці.

а б

Рис.4.5. Діодні логічні елементи

Рівняння логічної операції буде мати вигляд:

для схеми рис.4.3.а -– ;

для схеми рис. 4.3.6 – .

Таким чином, перша схема з загальними анодами відтворює логічний елемент (І), друга схема з загальними катодами відтворює логічні елементи (АБО). При встановленні на входах логічного елемента Х₁, Х₂, Х₃ (рис.4.5.а) усіх логічних одиниць на виході Р_α також сформується логічна одиниця (високий рівень напруги), що характерно для операції кон’юкції. У цьому разі усі діоди будуть замкнені високим рівнем напруги, і на виході сформується сигнал рівня . Якщо на один з входів подати сигнал низького рівня (логічний нуль) то відповідний діод буде відкритий для протікання струму і на виході Р_α сформується сигнал низького рівня напруги (0).

Схема з загальними катодами (рис.4.5,б) дозволяє відтворити операцію диз’юнкції над двійковими змінними, які поступають на виходи Х₁, Х₂, Х₃. На виході Р_ буде з'являтися високий рівень усякий раз коли на одному з входів схеми з'явиться сигнал високого рівня, що відповідає логічній операції (АБО). Якщо на вихід кожної із схем додати інвертор на базі транзисторного ключа то отримаємо логічні елементи (І-НІ) та (АБО-НІ) відповідно. Такі логічні схеми носять назву діодно-транзисторна логіка (ДТЛ). Вони використовуються у таких випадках, коли вирішуючим фактором є навантажуюча здатність та підвищена завадозахищеність. Але логічні елементи серії ДТЛ у теперішній час практично не використовуються але використовувались лише у застарілій електронній апаратурі.

Найбільш розповсюдженими є схеми типу ТТЛ – транзисторно-транзисторна логіка. Основою схем ТТЛ є багатоеміторний транзистор, дозволяючи поєднати переваги діодних і транзисторних елементів (рис.4.6). Багатоеміторний транзистор збільшує швидкодію схеми ТТЛ за рахунок малої вхідної ємності навантаження і низького вхідного опору.

Рис.4.6. Елемент ТТЛ.

Кожний емітерний перехід багатоемітерного транзистора

замінює діод, якщо емітерні переходи закриті високим рівнем напруги, то колекторний перехід відкритий і колекторний струм буде спрямований у базу транзистора VТ2, підтримуючи його у відкритому стані, отже на виході схеми логічного елемента в ньому разі буде низький рівень напруги. Якщо на входах транзистора VТ1 з’явиться хоч б один низький рівень напруги, то відповідний емітерний перехід відкриється, а транзистор VТ2 закриється при цьому на виході схеми з’явиться високий рівень напруги. Схема виконує функції логічного елемента (І-НІ).

Схеми ТТЛ мають більш широкі функціональні можливості, дозволяють реалізувати функції (І-АБО-НІ), (І-АБО), (I-НІ) та інші. Схеми ТТЛ мають ряд переваг та недоліків:

• до переваг варто віднести високу швидкодію, наванта-жувальну здатність;

• до недоліків – складність виготовлення багатоемітерних транзисторів.

На прикінці 70-х років XX ст. мікросхеми ТТЛ стали активно замінюватись на мікросхеми ТТЛШ, які мають у своїй структурі р-n переходи з бар’єром Шотки. Ефект Шотки оснований на тому, що у р-n переході або поруч з ним присутній дуже тонкий шар металу, багатий електронами – вільними носіями. Ефект Шотки змінює порогову напругу, яка відкриває транзистор від звичайних  0,7В до 0,2...0,3В, і значно зменшує час житія неосновних носіїв у напівпровіднику. До сучасних мікросхем ТТЛШ відносять мікросхеми серії К1533, 1556 тощо.

Елементною базою великих інтегральних схем, а також цифрових мікросхем серії КНОП практично є транзистори МДН, (на рис.4.4. зображений логічний елемент (НІ) – серії К561 КМОП). Мікросхеми КМОП мають середню швидкість, але відрізняються від інших серій дуже малою споживаючою потужністю (мкВт) і великим вхідним опором.

У логічних схемах вихідна величина визначається тільки вхідними сигналами на даний момент часу і не залежить від того, якими вони були до того. Тому можна зробити висновок, що логічні елементи інтегральних схем були не здатні запам'ятовувати попередні стани. Разом з цим, комбінація логічних схем (АБО-НІ) та (І-НІ), може створити пристрій, який здатний запам’ятовувати попередній стан, таким пристроєм є тригер.