темах. Кроме того, в потенциальных системах меньше вспомо гательных элементов, поскольку не требуется (формирования сигналов. Потенциальные элементы обладают 'высокой'надеж ностью и помехоустойчивостью, не содержат нетехнологичных деталей и поэтому весьма удобны для микроминиатюризации и автоматизации их производства. Потенциальные системы эле ментов реализуются в двух вариантах: с переключением напря жения (СПН) и с переключением тока (СПТ). По сравнению с СПН ОПТ отличаются большим быстродействием.
Системы элементов современных! ЦВМ выполняются преи мущественно транзисторными. При этом используются два типа транзисторов: биполярные (р-п-р или п-р-п) и транзисторы о за пирающим слоем (полевые).
В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы управляются напряжением и по своему принципу действия являются аналогами электронных ламп.. Транзисторные схемы классифицируются по типу входных це пей. Различаются:
—резистивно-транзисторные схемы (RTL);
—транзисторные схемы с непосредственной связью между логическим» элементами (DCTL);
—транзисторные схемы с резистивными связями между ло гическими элементами (TRL);
—транзисторные схемы с резистивно-емкостными связями между логическими элементами (RCTL);
—диодно-транзисторные схемы (DTL);
—транзисторные схемы с эмиттерными связями между ло гическими элементами (ECL);
—транзисторно-транзисторные схемы (TTL).
Благодаря целому ряду преимуществ наибольшее распро странение получили диодно-транзисторные (DTL) и транзистор но-транзисторные (TTL) схемы.
Для дальнейшего рассмотрения элементов ЦВМ примем функциональный принцип классификации, по которому они де лятся на логические, запоминающие и вспомогательные.
§ 12.2. Комбинационные логические элементы
Логическим элементом называется элемент, устройство или функциональная группа, реализующие (функцию или систему функций двоичной .алгебры логики.
По принципу работы различают комбинационные логические элементы и триггерные устройства. В логических элементах комбинационного типа выходной сигнал в каждый дискретный
Момент времени является .функцией -входным сиг,налов в рас сматриваемый момент времени tp
Uti ~ F ( - ^ l i ^ 2 1 • • • 1%п) t i ’
где х.— значения -входных сигналов; Уц— значения выходного сигнала.
Основными параметрам», характеризующими -возможности функциональных логических элементов, являются: реализуемая логическая функция; нагрузочная способность; коэффициент объединения по входу; средняя задержка передачи сигнала; предельная рабочая частота; помехоустойчивость; потребляемая мощность.
По виду реализуемой функции логические элементы условно могут быть разделены на два класса: элементы, одноступенчатой логики и элементы двухступенчатой логики. Они отличаются степенью сложности реализуемых функций-
Нагрузочная .способность логических элементов определяется
коэффициентом разветвления по выходу, который характеризует максимальное число схем, аналогичных рассматриваемой, ко торые могут одновременно -подключаться к ее выхоДу. Чем выше коэффициент разветвления -схемы, тем шире ее логические возможности и тем меньшее число схем .необходимо для постро ения сложного .вычислительного устройства.
В зависимости от типа схемы и параметров ее компонентов коэффициент разветвления по выходу может изменяться в ши роких пределах: от 4 до 25. Увеличение коэффициента разветв ления по выходу схемы ограничивается тем, что растет нагруз ка и ухудшаются такие параметры, как статическая помехоус тойчивость и средняя задержка сигнала.
Коэффициент объединения по входу определяет максималь ное число входов схемы. Чем больше коэффициент объединения по входу, тем шире логические возможности схемы и тем -мень шее число схем потребуется при создании сложного устройства. Для различных типов логических схем коэффициент объедине ния может составлять от 2 до 10. Увеличение коэффициента объединения ухудшает быстродействие, помехоустойчивость и нагрузочную способность схемы функционального элемента.
Помехоустойчивость элементов характеризуется в статичес ком и динамическом режимах. Статическая помехоустойчивость
определяет величину напряжения, которое может быть подано на вход .схемы относительно уровня 0 или 1, не вызывая ее ложного срабатывания. Динамическая помехоустойчивость —
помехоустойчивость в динамическом режиме, зависящая от дли тельности, амплитуды, формы сигнала помехи и скорости пере ключения базового функционального элемента.
Наиболее простыми являются комбинационные логические элементы одноступенчатой логики, имеющие равноценные вхо ды. К ним относятся функциональные логические элементы, реа лизующие функции НЕ, И, ИЛИ, И—НЕ, ИЛИ—НЕ. Рассмот рим примеры .построения схем таких элементов.
Элемент НЕ (инвертор) — элемент, реализующий логическую функцию отрицания:
У= х.
Впотенциальном инверторе сигналы, кодирующие двоичные переменные 0 и 1, представляются низким и высоким уровням.!! ■напряжения. Для того чтобы .получить ,на выходе 'инвертора нулевой уровень сигнала, надо на его вход подать единичный уровень и наоборот.
Рис. щ.о.
Такой инвертор может быть построен на одном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис 12.8, а). При подаче на вход схемы сигнала малой амплитуды Ux при усло
вии |ДС| > | UXi\ , транзистор закрывается напряжением сме
щения -ЬЕс приложенным к базе. Амплитуда выходного сиг нала, снимаемого с .коллектора транзистора, в этом случае бу дет равна:
|
|
F |
|
[ Г ____ D |
|
Uy• “ |
Як + я . *"• |
При подаче на вход схемы сигнала отрицательной .полярнос |
ти большой амплитуды |
| UXz | > | Ес| транзистор открывается и |
на выходе образуется сигнал |
Uya, |
меньший по амплитуде Uy^ |
Так как в этом случае транзистор |
.вводится в режим, близкий |
к режиму насыщения, то |
Uy |
«=0. Таким образом, если принять |
сигналы |
Uх |
и Uy2 за |
нулевой |
уровень, |
a UXi |
и U y — за |
единичный |
уровень (или |
наоборот), то логика работы схемы |
инвертора может быть описана табл. 12.1. |
|
|
|
Напряжение смещения |
+ Ес ' |
ис |
, |
|
Таблица 12.1 |
пользуется для |
повышения помехоус |
|
|
|
|
тойчивости логических схем. |
|
|
Вход |
Выход |
Для выравнивания входных харак |
|
теристик и |
увеличения коэффициента |
|
|
|
разветвления логических элементов по |
|
0 |
J |
выходу на |
входе схемы |
включается |
|
|
|
|
резистор R6 . Вместе с тем наличие его |
|
1 |
0 |
приводит к -нежелательному явлению— уменьшению тока базы транзистора во время переходных про цессов.
С целью уменьшения ограничивающего влияния сопротивле ния на величины включающего и выключающего токов базы транзистора и обеспечения высокой статической помехоустой чивости схемы часто резистор на входе шунтируется конденса тором С достаточно большой емкости (рис. 12.8,6).
Элемент ИЛИ (дизъюнктор) предназначается для выпол нения логической операции дизъюнкции. В общем случае реа лизуемая функция имеет следующий вид:
У — х 1 V *2 V • • • V х„.
Для того чтобы реализовать эту функцию, схема элемента ИЛИ должна иметь число входов, равное количеству перемен ных, и один вьиход. -При этом кодовый сигнал, соответствующий 1, должен быть на выходе во всех случаях, когда имеется еди ничный сигнал на -одном или .нескольких входах одновременно. При наличии одновременно на всех входах нулевых сигналов на выходе должен быть также нулевой сигнал.
В случае использования транзисторов этот элемент может быть построен -на базе эмит-терных повторителей. На рис. 12.9 показана схема элемента ИЛИ с двумя потенциальными вхо дами и потенциальным выходом.
При 1нулевых уровнях сигналов на входах на выходе схемы снимается сигнал, равный нулю. Это объясняется тем, что тран зисторы Т1 -и Т2 закрыты по базе напряжением смещения + Е С, и ток через резистор R 3, включенный в омиттериую цепь тран зисторов, не протекает.
При поступлении хотя бы на один из входов схемы сигнала отрицательной полярности н амплитуды, достаточной для откры
|
вания транзистора, |
по резистору R3 протекает ток и на выходе |
|
схемы снимается сигнал, близкий к —Ек. |
|
Таким образом, принимая за двоичную переменную 0 сиг |
|
нал нулевого уровня, а за |
1 — сигнал отрицательной полярности, |
|
получим логику работы элемента ИЛИ (табл. 12.2). |
|
|
Таблица 12.2 |
Весьма просто дизъюнктор реа |
|
|
лизуется на полупроводниковых дио |
|
|
|
|
дах (рис. 12.10). При подаче хотя бы |
|
Вход 1 |
Вход 2 |
Выход |
на один вход схемы единичного сиг |
|
|
|
|
нала в виде уровня .напряжения по |
|
О |
0 |
0 |
ложительной полярности на выходе |
|
выдается сигнал также единичного |
|
О |
1 |
1 |
уровня. Однако так как диоды явля |
|
|
|
|
ются пассивными элементами, в этих |
|
1 |
О |
1 |
схемах происходит затухание преоб |
|
J |
1 |
1 |
разуемых сигналов. Для восстанов |
|
ления потерь в диодных логических |
|
|
|
|
|
Цели в качестве |
|
цепях вводятся активные элементы. |
|
активных элементов -используются транзис |
торы, то такие -схемы называются диодно-транзисторными или схемами с диодным входом. На рис. 12.11 показана схема дизъюнктора с тремя диодными входами.
Д<
В х о д 1 о ,
Д 2
Вход2 о —
В ы х о д
в х о д З о—Д З
Рис. 12.10.
Диодно-транзисторные логические схемы обладают повы шенной помехоустойчивостью и сравнительно большим коэффи циентом разветвления по выходу. Кроме того, в таких схемах к ряду параметров транзистора предъявляются менее жесткие
требования. Поэтому они широко применяются при построении сложных логических схем.
Элемент И (конъюнктор)— элемент, реализующий логичес кую функцию конъюнкции;
У = Х г х г - х 3 .
Схемы элементов И имеют несколько разновидностей и так же могут иметь несколько входов. На рис. 12.12 показана двух-
входовая схема |
|
комъюнкто- |
|
|
|
|
ра, выполненная «а транзис |
|
|
|
торах. Схема имеет эмиттер - |
|
|
|
|
иый выход. Транзисторы Т1 |
|
|
|
|
и Т2 включены .последова |
|
|
|
тельно и в исходном состоя |
|
|
|
нии закрываются по базе на |
|
|
|
пряжением смещения + Ес- |
|
|
|
На выходе схемы образуется |
|
|
|
|
сигнал |
единичного |
уровня |
|
|
|
Выход |
только в одном случае, когда |
|
|
|
|
одновременно на |
оба входа |
|
|
|
|
поданы |
уровни |
напряжения |
|
|
|
|
отрицательной |
поляркости |
|
peic |
|
|
соответствующие |
1. |
Во всех |
|
|
|
других |
случаях |
на |
выходе |
|
|
|
|
схемы будет нулевой сигнал. |
|
|
можно |
будет |
Таким образом, |
логику работы данной схемы |
•представить в виде табл. |
12.3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Элемент ИЛИ—НЕ (элемент |
|
|
Таблица 12.3 |
Пирса) служит для реализации ло |
Вход |
1 |
Вход 2 |
|
Выход |
|
гической функции |
|
|
|
|
|
у = A 'jV *2V • |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У ХП- |
|
' 0 |
|
0 |
|
|
0 |
|
Транзисторная логическая схема |
0 |
|
Д |
|
, |
0 |
|
такого элемента ' аналогична |
схеме |
|
|
|
элемента ИЛИ, но здесь использует |
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
0 |
|
|
0 |
|
ся инвертированный (коллекторный) |
д |
|
1 |
|
|
1 |
|
выход (рис. 12.13). |
|
|
|
|
|
|
Приведенная схема может рабо |
При |
высоком |
уровне |
|
тать |
в двух логических режимах. |
сигнала, |
принятом за значение |
логи |
ческой 1, осуществляется так называемая «положительная ло гика» работы элемента и реализуется функция ИЛИ—НЕ
(табл. 12-4),
При наличии на базе транзисторов положительного смеще ния, которое может быть обеспечено за счет специального нсточ-
|
Таблица |
12.4 |
Вход 1 |
Вход 2 |
Выход |
Ю |
Й |
И |
|
В |
а |
(0 |
|
11 |
!0 |
' (о |
• |
И |
41 |
(0 |
|
Рис. 10.КЭ.
ника питания или в результате подключения входов данного элемента к выходу других элементов, реализуется «отрицатель ная логика» работы, когда за значение 1 принимается низкий уровень сигнала. В этом случае приведенная схема реализует вместо функции ИЛИ—НЕ функцию И—НЕ.
Такое преобразование логики работы элементов в зависи мости от принятого уровня .сигнала логической 1 характерно и для других типов потенциальных схем.
Логические элементы могут строиться на полевых транзис
торах с МДП-структурой. |
При этом на основе дополняющих |
|
|
|
МДП-транзи'сторов |
с каналами |
|
|
|
р и п-типов возможно создание |
|
|
|
схем как |
положительной, |
так |
|
|
|
и |
отрицательной |
логики. |
На |
|
|
|
рис. 12.14 показана двухвходовая |
|
|
|
логическая |
схема |
элемента |
|
|
|
ИЛИ—НЕ на МОП-транзисторах |
|
|
|
р-тшпа. Схема содержит один на |
|
|
|
грузочный транзистор ТЕ огра |
|
|
|
ничивающий величину тока в це |
|
|
|
пи, и два логических транзистора |
|
|
|
Т2 и ТЗ. При подаче хотя бы на |
Рис. 10.14. |
|
один вход сигнала отрицательной |
|
|
|
отоляр ногти, |
соответствующий |
транзистор открывается и на выходе будет нулевой сигнал. |
|
Обладая |
высоким входным |
сопротивлением |
по затвору |
( # вх > 1012 Ом), |
схема имеет большой коэффициент объедине |
ния по входу |
(10 |
и выше). |
Это |
означает, |
что не наблюдается |
заметного снижения уровня единичного сигнала на выходе схе мы в результате подключения нескольких, таких же схем, вход ные цепи которых обусловливают суммарный ток нагрузки.
Элемент И—НЕ (элемент Шеффера) реализует логичёскую функцию
у = ху-х2-х3
Транзисторная схема элемента И—НЕ может быть построе на н-а! базе схемы элемента И с коллекторным выходом (рис. 12.15). Логика ее работы представляется табл. 12.5.
|
|
Таблица 12.5 |
Вход 1 |
Вход 2 |
Выход |
0 |
С |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1' |
1 |
1 |
0 |
Рис. 10Л6.
На рис. 12.16 показана схема элемента И—НЕ транзисторно транзисторного типа.
Схема (построена с использованием многоэмиттерного тран зистора, представляющего собой элемент, объединяющий преи мущества диодных логических схем и транзисторного усилителя.
Транзистор Т1 является логическим и работает в 'схеме в ненасыщенном режиме. Транзисторы Т2—Т4 образуют схему усилителя-инвертора. При нулевых уровнях сигналов на входах транзистор Т1 находится в проводящем состоянии. Транзис тор Т2 усилителя закрыт, транзистор ТЗ открыт высоким поло жительным нотенцналом на базе, транзистор Т4 находится в закрытом состоянии. Вследствие этого на выходе будет еди-
гёичный сигнал высокого, уровня. При наличии единичного сиг нала на .каком-либо одном входе состояние схемы не изменя
ется.
В случае подачи единичных сигналов одновременно на два входа схемы транзистор Т2 открывается. В результате протека ния тока на резисторе R создается напряжение смещения, под действием которого транзисторы ТЗ и Т4 открываются. На вы ходе схемы образуется сигнал нулевого уровня. Таким образом, при помощи данной схемы реализуется логика элемента И—НЕ. Транзисторно-транзисторные схемы позволяют значительно уве личить быстродействие, повысить уровень помехозащищенности, снизить потребляемую мощность, а также увеличить функцио нальную сложность схемы. Коэффициент объединения по входам И составляет 12-г 14.
Реализация элемента И—НЕ на МДП-транзпсторах р-тина представлена на рис. 12.17. В приведенной схеме используется последовательное (ярусное) включение транзисторов. Транзис тор Т1 является усилительным. Он обеспечивает высокую на грузочную способность схемы при работе на емкостную нагруз ку С„. Транзисторы Т2 и ТЗ — логические.
X
Путь току через нагрузку к «земле» открывается лишь в том случае, если будут открыты МДП-транзисторы обеих яру сов (Т2 и ТЗ). Это происходит при подаче на оба входа единич ных сигналов отрицательной полярности. На выходе схемы сни маются сигналы нулевого уровня. Во всех других случаях, вследствие запирания транзисторов одного цли двух ярусов, выходной сигнал будет иметь значение 1. Условные графические обозначения логических элементов НЕ, ИЛИ, И, ИЛИ—НЕ, И—НЕ приведены в гл. 11.
На базе элементов одноступенчатой логики строятся элемен ты двухступенчатой логики. Они называются также комбинаци онными логическими элементами с неравноценными входами,
На рис. 12.18,а и б приведены соответственно логическая структура и графическое обозначение двухступенчатого элемен та ИЛИ с прямым и инверсным входами. В первой ступени элемента включены дизъюнктор на три входа и конъюнктор на два входа. С помощью такого элемента реализуется следующая логическая функция:
у = (Xl V *2 V х 3) V |
(-П• х 5). |
|
Структурная .схема и графическое |
обозначение |
элемента И |
с прямым и шшеоеным входами показаны на рис. |
12.19, а и б. |
Рис. 12.19. |
, |
Рис. 12.20. |
Он также в первой ступени имеет конъюнктор и дизъюнктор. Реализуемая логическая функция имеет вид:
у= (лу ■х2 ■х3) • (*4 V х5).
В.схеме двухступенчатого логического элемента ИЛИ—И первую ступень образуют два элемента ИЛИ, а вторую — один
элемент И (рис. 12.20,а). Она реализует логическую функцию
y = (XiV ха V х8) ■(x4 V x5V x 6).
Графическое обозначение элемента показано на рис. 12.20, б<
си |
5J |
aj |
Sj |
Рис. |
12.21. |
|
Рис. 10.2(2. |
В первой ступени элемента И—ИЛИ содержатся два конъюнктора, во второй ступени — один дизъюнктор (рис, 12.21а). При этом реализуется логическая функция
У = (*! • *2 • Х 3) V (X i • *5 • Х в) .
ЗШ
