2. Элементы цифровой электроники

2.1. Логические элементы

В цифровых вычислительных машинах, устройствах автоматики и обработки информации используют устройства, осуществляющие логические операции.

Логическая операция - это преобразование по правилам алгебры логики (или булевой алгебры) входной цифровой информации в выходную.

Простейшее в функциональном отношении логическое устройство, выполняющее одну определенную логическую операцию над входными сигналами, называют логическим элементом.

В алгебре логики истинность суждения или высказывания о результатах той или иной логической операции обозначают символом 1, ложность - 0. Таким образом, логические переменные в алгебре логики принимают лишь два значения: единицу и нуль. Их называют двоичными переменными. Чтобы реализовать алгебру логики на электронных элементах, необходимо значение параметров этих элементов перевести на язык алгебры логики (0 или 1). Задавать значения параметров можно уровнем напряжения или полярностью импульсов.

Если сигналы подают в виде высокого (положительной или отрица­тельной полярности) и низкого (близкого к нулю) уровня напряжения, то такой способ подачи сигнала называют потенциальным. Если высоко­му уровню напряжения U¹ приписывают значение «единица», а низкому U⁰ - «нуль», то логику называют положительной (позитивной), в противном случае — отрицательной (негативной). Разность уровней единицы и нуля называют логическим перепадом U_л = U¹ – U⁰. Он должен быть значительным, иначе нельзя будет четко отделить один уровень от другого.

Если сигналы подают в импульсной форме, то такой способ подачи сигнала называют импульсным. При этом логической единице соот­ветствует наличие импульса, логическому нулю — отсутствие импульса (положительная логика). Сигналы, соответствующие 1 (или 0) могут быть на входе и выходе разными. Наибольшее распространение полу­чили потенциальные логические элементы, так как их можно изготов­лять по технологии интегральных микросхем.

2.1.1. Элементарные логические операции и типы логических элементов

Система логических элементов, на базе которой можно строить логи­ческую схему любой сложности, называется функционально полной. Основными и наиболее простыми логическими элементами являются элементы, выполняющие операции отрицания (НЕ), конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ). Они составляют функционально полную систему и являются системой минимального базиса. Каждая из этих операций и логических элементов имеет и другое название.

В табл. 2.1 даны названия логических элементов, обозначение данной операции, показано, как обозначаются логические элементы в функциональных схемах. В табл. 2.2 даны таблицы истинности для случая, когда имеется два входа и один выход. Таблица истинности содержит правила выполнения операций. В каждой ее строке записывают состояние сигналов на входах (х₁, х₂) и результат логической операции на выходе (у). В общем случае логический элемент может иметь n входов и n выходов.

Таблица 2.1

Название логической операции	Обозначение логической операции	Название логического элемента, реализующего операцию	Обозначение логического элемента в функциональных схемах
Е1 Логическое НЕ; логическое отрицание; инверсия		Инвертор	x Y
&& Конъюнкция; логическое умножение; логическое И	х1  х2 х1 & х2	Конъюнктор	x1 Y x2
11 Дизъюнкция; логическое сложение; логическое ИЛИ	х1 + х2 х1  х2	Дизъюнктор	x1 Y x2
&& Логическое И-НЕ; штрих Шеффера; отрицание конъюнкции	х1  х2	Элемент Шеффера, элемент И-НЕ	x1 Y x2
11 Логическое ИЛИ – НЕ; стрелка Пирса, функция Вебба, отрицание дизъюнкции	х1 х2	Элемент Пирса, Элемент ИЛИ-НЕ	x1 Y x2

Функционально полную систему могут обеспечить составные (комбинированные) логические элементы, выполняющие логические операции И - НЕ, ИЛИ - НЕ. Их названия, обозначения также даны в табл. 2.1.

Логические элементы выполняют как на дискретных приборах, так и методами интегральной технологии. Для большинства серий ин­тегральных микросхем базисной системой являются логические элементы И - НЕ или ИЛИ - НЕ. Их выпускают в виде отдельных микроминиатюрных устройств в герметичном корпусе.

Таблица 2.2

Название логической операции	Таблица истинности
	х1	0	0	1	1
	х2	0	1	0	1
Логическое НЕ	Х	0		1
		1		0
Конъюнкция	х1  х2	0	0	0	1
Дизъюнкция	х1  х2	0	1	1	1
Логическое И-НЕ	х1  х2	1	1	1	0
Логическое ИЛИ-НЕ	х1  х2	1	0	0	0

Составные логические элементы на разных ступенях могут выпол­няться на различных приборах (резисторах, диодах, транзисторах, как биполярных, так и полевых), т. е. могут иметь разные схемные варианты. В соответствии с конструкцией их называют логикой типа резисторно-транзисторной (РТЛ); диодно-транзисторной (ДТЛ); транзисторно-транзисторной (на биполярных транзисторах-ТТЛ; на полевых - МОПТЛ; на комплементарных полевых транзисторах - КМОП или КМОПТЛ; на транзистор с эмиттерными связями - ТЛЭС или ЭСЛ).

Специфической логикой на транзисторах является инжекционная логика – И²Л. она не имеет аналогов в транзисторных схемах на дискрет­ных элементах. Связь между ступенями логических элементов осу­ществляется либо непосредственно, либо через резистор, либо через RС - цепочку. Тогда в название логики добавляют соответствующие буквенные обозначения: НСТЛ - транзисторная логика с непосредствен­ной связью; НСТЛМ — транзисторная логика с непосредственной связью на МОП - транзисторе; РЕТЛ - транзисторная логика с резистивно-емкостной связью.