Лекция 1. Логика и логические элементы в схемотехнике

1. Импульсная и потенциальная логика

В технических устройствах возможны 2 вида интерпретации логических нуля и единицы.

Импульсная логика: 0 – нет тока или напряжения; 1 – есть ток или напряжение.

Потенциальная логика: в качестве информации используют напряжение. 0-низкий уровень потенциала, 1-высокий уровень потенциала, т.е. U₀<U₁. Интересно, что если перепад напряжений (0В), (-5В), то с точки зрения импульсной логики это 0 и 1, а в потенциальной логике это 1 и 0 т.к. (-5В)<(0В). На практике отрицательная потенциальная логика применяется в ЭЛС. Там U₀ = –1,6В, U₁ = –1В. Однако чаще всего используют положительную логику: U₀ = (0 – 0,5)В, U₁ = (2,3 – 2,8)В, а иногда (в МДПЛ) и напряжение источника U₁ 5В или 10В.

2. Многозначная (трехзначная, пятизначная) логика

В трехзначной логике вместо логического 0 (низкое напряжение) и логической 1 (высокое напряжение), вводят Х – неопределенные состояния. Это связано с тем, что тактовые импульсы имеют скорее трапециевидную форму, чем прямоугольную. Кроме того «срабатывание» транзистора (открывание/закрывание) требует время (от долей до нескольких наносекунд). В это время нельзя четко определить чему соответствует напряжение U₀ или U₁

Б улевые операции:

X=X, Xv0=X, Xv1=1, X&0=0, X&1=X

В пятизначной логике кроме трех состояний

вводят еще 2 состояния: E и D

E – переход из состояния 0 в состояние 1

D – переход из состояния 1 в состояние 0, причем не Е = D, не D = E,

Ev0=E, Ev1=1, EvX=X, EvD=X; E&0=0, E&1=E, E&X=X, E&D=X Для D точно такие же формулы бинарных операций. К символам X, E, D так же применимо свойство идемпотентности (ХvX = X&X = Х и т.д.).

3. Логические элементы на основе биполярных транзисторов

ДЛ, ТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ – логики, точнее реализации логических операций, основанные на биполярных (чаще всего npn транзисторах и диодах).

1. ДЛ - логика с помощью диодов

Рассмотрим первую схему

Если U_ВХ1 =U_ВХ2 = 0, то U_ВЫХ = 0, т.к высокому напряжению просто не откуда взяться

Если U_ВХ1 = 0 (U_ВХ2 = 0 или 1), то U_ВЫХ = 1, схему при этом можно упростить. Высокое напряжение поступает с выхода 1 на вход , ток протекает с входа 1 через сопротивление, а так же может поступать на выход.

Диод для того, чтобы предотвратить К3 с высокого напряжения на низкое (при U_ВХ2 = 0) таким образом, это элемент ИЛИ.

Рассмотрим вторую схему

Если хотя бы один вход обнулен (U_ВХ = 0), то выход через диод замкнут на землю, U_ВЫХ = 0. Ток протекает от источника на вход.

Если на обоих входах высокое напряжение (U_ВХ1 = U_ВХ2 = 1), то U_ВЫХ = 1. Диоды – для предотвращения К3 при U_{ВХ 1}= 0, U_ВХ2 = 1, таким образом, это элемент И.

Инвертор построить только с помощью диодов не удастся. Другой недостаток ДЛ: по линиям передачи информации протекают большие токи, т.к. через них источники соединяются с землей.

Предпочитают наоборот.

Внутри элемента могут протекать токи, а по информационной линии только передается управляющие напряжения, а токи, если и есть, малы.

3.2. ТЛ – логика с помощью (npn) транзисторов

Р ассмотрим первую схему:

Если U_ВХ= 0, Т – закрыт, тоже не протекают выход замкнут «на землю».

В этом случае схему можно упростить.

Выход отделен от источника I=0, U_ВХ= 0

Если U_ВХ= 1, Т открыт. Считая, что I_БЭ>>I_КЭ схему можно упростить.

Токи протекают, но выход замкнут на высокое напряжение источника U_ВЫХ= 1.

Следовательно, это схема без инверсии, а элемент повторитель (U_ВЫХ= U_ВХ)

Рассмотрим вторую схему:

Если U_ВХ= 0, Т – закрыт, I=0. Схему можно упростить.

Т.к. токи не протекают (цепь разомкнута), на выходе устанавливается напряжение источника, U_ВЫХ= 1.

Е сли U_ВХ=1, Т – открыт, протекает ток, падение напряжения на R от ЭДС источника до нуля,

выход замкнут на землю, т.к. R_ТРАНЗ=0

Следовательно, U_ВЫХ=0, это схема инвертора.

Е сли в первой схеме вместо одного транзистора взять несколько, получится элемент ИЛИ (при параллельном включении транзисторов) и элемент И (при последовательном). Так же из второй схемы можно получить элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ, например, элемент ИЛИ-НЕ: при передачи высокого напряжения хотя бы на один вход, выход замкнется на землю.

3.3. ДТЛ – логика (диоды и транзисторы)

Э лементы И, ИЛИ получаются с помощью диодов, а элемент НЕ с помощью транзисторов:

ДТЛ стала использоваться вместо ТЛ, т.к. диод проще, дешевле и занимает меньше места, чем транзистор. Сейчас это не актуально, т.к. диоды в микросхемах получают из элементов npn структур, только вместо 3-х выходов используется 2. Однако ДТЛ легла в основу современных схем ТТЛ и ТТЛШ.

3.4. ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика

Работа схемы ТТЛ напоминает ДТЛ (набор диодов реализует элементы И ИЛИ, а транзистор – элемент НЕ), но вместо набора диодов используют один многоэмиттерный транзистор, но включенный так, что он, фактически, представляет из себя набор диодов. Т.к. на базу подано положительное напряжение, транзистор открыт. Ток от базы на эмиттер проходит, если подать низкое напряжение на один из эмиттеров. В этом случае на базе и коллекторе многоэмиттерного транзистора установится 0, который закроет следующий за ним обычный транзистор. Если на всех входах подать 1, токи через эмиттеры протекать не будут высокое напряжение базу коллектора многоэмитерного транзистора поступает на базу следующего транзистора и открывает его.

Е сли хотя бы на одном входе – ноль, то база обычного транзистора под низким напряжением, который закрывается и U_ВЫХ=1

Элемент «И-НЕ» (ДТЛ) «И-НЕ» (ТТЛ)

Если U_ВХ1 = U_ВХ2 = 1, U_БАЗЫ = 1, транзистор открывается, далее как в обычной ТЛ.

Аналогичная схема, но без инверсии:

Элемент «И» (ДТЛ) «И» (ТТЛ)

М ногоэмиттерный транзистор в микросхемах.

ТТЛ – имеет низкую стоимость, отработанную технологию и наиболее распространена в схеме с малой и средней концентрацией.

ТТЛ – занимает среднее положение по быстродействию и по концентрации в кристалле. Помехоустойчивость 0,4-0,5 В (ошибка логического 0 и логическое 1 на эту величину не приводит к сбою).