5. Практическая реализация логических

   1. Схемы КМОП

   2. Задержка на распространение сигнала

   3. Ограничения по входу и выходу

6. Триггеры

   1. Вентильные защелки

   2. Двухступенчатые триггеры

   3. Тактирование фронтом сигнала

   4. Т-триггеры

   5. Триггеры с дополнительными входами для установки и очистки

7. Регистры и сдвиговые регистры

8. Счетчики

9. Дешифраторы

10. Мультиплексоры

11. Программируемые логические устройства

12. Программируемые вентильные матрицы

13. Последовательные схемы

2. 5. Практическая реализация логических вентилей

Теперь мы перейдем к вопросу о практических средствах, используемых для представления логических переменных и логических функций. Совершенно оче­видно, что выбор физического параметра, представляющего логические перемен­ные, зависит от используемой технологии. В электронных схемах для этой цели может использоваться либо напряжение, либо сила электрического тока.

Для того чтобы установить соответствие между величиной напряжения и ло­гическими значениями, или состояниями, в электронике используют концепцию порога (threshold). Напряжение, превышающее заданный порог, представляет од­но значение, а напряжение, которое ниже этого порога, — совсем другое значение. На практике напряжение в любой точке электронной схемы подвержено неболь­шим случайным колебаниям, зависящим от множества причин. Из-за этого «шу­ма» значения напряжения вблизи порога нельзя с уверенностью соотнести с кон­кретными логическими состояниями. Поэтому для электронных схем обычно устанавливают некоторый «запрещенный диапазон», как показано на рис. 2.10. На этом рисунке напряжения ниже V_{0, max} представляют логическое значение 0, а напряжения выше V_{1, min} — значение 1. Далее в настоящей книге, говоря о напря­жении, соответствующем логическим значениям 0 и 1, мы будем использовать понятия «низкое» и «высокое».

Мы начнем знакомство с электронными схемами, реализующими базовые ло­гические функции, с описания простейших из них, которые состоят из резисто­ров и транзисторов, действующих в качестве переключателей. Для начала рас­смотрим схемы, приведенные на рис. 2.11. Когда ключ S на рис. 2.11, а разомкнут, выходное напряжение V_out равно 0 («земля»). Когда же ключ S замкнут, выходное напряжение V_out равно напряжению источника V_supply. Точно так же действует схе­ма, приведенная на рис. 2.11, б, где роль ключа играет транзистор Т. Когда вход­ное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, равно 0 (то есть когда V_in = 0), ключ разомкнут и V_out = V_supply. Когда же значение V_in изменяется на V_supply, ключ замыкается и выходное напряжение V_out становится близким к нулю. Таким обра­зом, электронный ключ, схема которого показана на рис. 2.11, б, может выпол­нять функции логического вентиля НЕ.

Рис. 2.10. Представление логических значений посредством уровней напряжения

Рис. 2.11. Схемы инвертора: с использованием ключа (а); с транзистором в качестве ключа (б)

На рис. 2.12 показана электрическая цепь и эквивалентная ей электронная схема, реализующая вентиль ИЛИ-НЕ. На рис. 2.12, а выходное напряжение V_out будет высоким только в том случае, если оба ключа, S_a и S_b, будут разомкнуты. Аналогичным образом, выходное напряжение V_out на рис. 2.12, 6 будет высоким при условии, что входные напряжения V_a и V_b, низки. Поэтому данная схема экви­валентна вентилю ИЛИ-НЕ, где входные напряжения V_a и V_b представляют две входные логические переменные, х₁ и х₂. Вентиль И-НЕ можно сконструиро­вать из двух транзисторов, соединив их последовательно (рис. 2.13). Что касается логических функций И и ИЛИ, то они легко реализуются на основе вентилей И-НЕ и ИЛИ-НЕ — достаточно вслед за вентилем включить в цепь инвертор, по­казанный на рис. 2.11. Реализовать вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ несколько проще, чем И и ИЛИ. Поэтому неудивительно, что ими так часто пользуются при реали­зации логических функций. Стараясь сделать примеры как можно понятнее, мы приводили много схем на основе вентилей И, ИЛИ и НЕ. Но на практике логиче­ские схемы могут содержать вентили всех пяти типов.

Рис. 2.12. Схемы, реализующие вентиль ИЛИ-НЕ: с использованием двух ключей (а); с транзистором в качестве ключа (б)

Рис. 2.13. Схемы, реализующие вентиль И-НЕ: с использованием двух ключей (а); с транзистором в качестве ключа (б)