Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

191

ЛОГИЧЕСКОЕ ОТРИЦАНИЕ (инверсия, операция НЕ) означает, что состояние на выходе схемы противоположно состоянию на ее входе.

Uвых = Uвх и читается: (Uвых не Uвх). Эта операция реализуется с помощью транзисторного ключа.

Схемотехническая реализация многообразия цифровых ИМС основана на типовых базовых функциональных элементах, реализующих простейшие логические функции: И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ–НЕ, И–НЕ (одноступенчатая логика). Микросхемы, выполняющие только логические функции ИЛИ–НЕ или И–НЕ, называют основными логическими элементами.

Условное обозначение логического элемента ИЛИ–НЕ и его таблица истинности представлены на рис. 9.10.

ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ИЛИ–НЕ образуется путем отрицания результатов, полученных при выполнении операции ИЛИ (рис. 9.10,в). При входных сигналах, равных единице, сигнал на выходе соответствует логическому нулю, а при нулевых сигналах на всех входах сигнал на выходе равен "1" (таблица истинности рис. 9.10,в).

Алгебраическая запись операции ИЛИ–НЕ следующая:

192

Инверсию логической суммы двух величин называют стрелкой Пирса:

y = x1 + x2 или y = x1 ↓ x2 .

ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И–НЕ. Условное обозначение логического элемента И–НЕ и его таблица истинности представлены на рис. 9.11.

Функция И–НЕ образуется путем отрицания результата, получаемого при выполнении операции И. Число входов элемента И–НЕ определяется числом аргументов функции И–НЕ. При подаче логического нуля на один из входов на выходе образуется логическая единица. Если на всех входах действует логическая единица, то сигнал на выходе равен логическому нулю. Логическая операция И–НЕ записывается следующим образом

Инверсию логического произведения двух и более аргументов называют штрихом Шеффера:

y = x1 x2 или y = x1 ↑ x2 .

Логические элементы И, ИЛИ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ и другие обладают свойством двойственности . Оно заключается в том, что если логический элемент при положительной логике выполняет операцию, например И–НЕ, то он же при отрицательной логике выполняет операцию ИЛИ–НЕ и наоборот (рис. 9.12).

Свойство двойственности указывает на то, что любое цифровое устройство можно без изменения функциональных связей строить как на элементах И–НЕ, так и на элементах ИЛИ–НЕ. Различие состоит в том, что логические уровни напряжений

193

на всех входах и выходах изменяются на противоположные.

Функциональные элементы, реализующие логические функции И–ИЛИ, ИЛИ–И, НЕ–И–ИЛИ, И–ИЛИ–НЕ, И–ИЛИ–И и другие, составляют двухступенчатую логику.

9.7. Логические элементы и их классификация

Наиболее широкое применение цифровые ключи нашли в логических элементах.

Логические элементы (ЛЭ) предназначены для реализации логических функций и являются одним из наиболее распространенных типов цифровых устройств, имеющих как самостоятельное применение, так и входящих в состав более сложных схем, выполненных на их основе, например, триггеров, регистров, счетчиков, распределителей, сумматоров, дешифраторов. Как и все импульсные элементы, логические элементы делятся на потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные. Подавляющее распространение, особенно в интегральной микросхемотехнике, получили потенциальные ЛЭ, отличительным признаком которых является:

– наличие связи по постоянному току между входами и выходами микро-

схем;

– возможность быть управляемыми и управлять другими схемами с помощью сигналов как ограниченной, так и неограниченной длительности (импульсные и потенциальные сигналы).

В общем случае вышесказанное не исключает возможности применения в таких схемах реактивных компонентов, т.е. индуктивностей и емкостей. Последние, как правило, выполняют вспомогательные функции. Однако именно принципиальная возможность построения интегральных схем различной сложности без реактивных компонентов выгодно отличает этот класс схем от остальных, поскольку процесс их изготовления наилучшим образом соответствует возможностям микроэлектронной технологии.

Интегральные схемы (ИС) потенциального типа являются самыми распространенными микроэлектронными логическими схемами. Сложность выполняемых ими функций непрерывно возрастает. Сигналы на входах и выходах потенциальных ЛЭ представляют собой высокий или низкий уровень напряжения, которым ставят в соответствие логические 1 и 0. В зависимости от кодирования сигналов различают положительную и отрицательную логику.

При положительной логике высокому уровню напряжения соответствует логическая единица U1вых, при отрицательной логике – наоборот: U0вых

(рис. 9.13).

Потенциальные ЛЭ входят в состав цифровых интегральных схем, которые выпускаются сериями. В состав каждой серии входят микросхемы, имеющие единое конструкторско-технологическое исполнение, но относящиеся к

194

различным подгруппам и видам. В зависимости от технологии изготовления они делятся на полупроводниковые, пленочные и гибридные.

По принятой системе обозначение ИС состоит из пяти элементов. ПЕРВЫЙ ЭЛЕМЕНТ – идентификатор типа корпуса (одна буква). Кодировка идентификаторов типа корпуса приведена ниже:

Р – пластмассовый корпус с вертикальным расположением выводов (ВРВ); М – керамический, металлокерамический или металлостеклянный корпус с ВРВ; Е – металлополимерный корпус с ВРВ; А – пластмассовый планарный корпус; И – металлокерамический планарный корпус; Б – бескорпусное исполнение ИС; Н – металлокерамический планарный микрокорпус; отсутствие обозначения – металлокерамический безвыводной микрокорпус.

Перед идентификатором типа корпуса может стоять буква К, обозначающая, что микросхема ориентирована на применение в аппаратуре коммерческого назначения или буква О – признак опытной партии ИС. Отсутствие букв К или О перед идентификатором – признак наличия приемки заказчика.

ВТОРОЙ ЭЛЕМЕНТ – цифра, обозначающая группу ИС. Все выпускаемые отечественные ИС делятся по конструкторско-технологическому исполнению на три группы: 1, 5, 6, 7 – полупроводниковые; 2, 4, 8 – гибридные; 3 – прочие (пленочные, вакуумные, керамические и т.п.).

ТРЕТИЙ ЭЛЕМЕНТ – три или две цифры от 000 до 999 или от 00 до 99. Они обозначают порядковый номер серии микросхемы. Таким образом, первые цифры, образованные двумя элементами, определяют полный номер серии ИС.

ЧЕТВЕРТЫЙ ЭЛЕМЕНТ – две буквы. Первая буква соответствует подгруппе, а вторая – виду ИС. Так, в обозначении подгруппы логических элементов обязательно присутствует буква Л (подгруппа) и буква, обозначающая вид

195

ИС по выполняемой логической функции. Например, логический элемент И обозначается как ЛИ, а элемент НЕ – как ЛН.

ПЯТЫЙ ЭЛЕМЕНТ – условный номер ИС по функциональному признаку в данной серии (одна – две цифры).

Функциональное назначение определяет тип ИС, согласно принятым в табл. 9.1 обозначениям.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИС ПО ФУНКЦИОНАЛЬНОМУ НАЗНАЧЕНИЮ

Таблица 9.1 Классификация ИС по функциональному назначению

196

197

РРПЗУ с многократным программированием

ССЧастотные

198

199

* Усилители напряжения или мощности (в том числе малошумящие)

Ниже приведен пример маркировки ИС.

К М 1 55 ЛЕ 1

Условный номер разработки ИС Логический элемент ИЛИ-НЕ Номер серии Полупроводниковая ИС Тип корпуса (керамический с ВРВ)

Микросхема коммерческого назначения.

Логические элементы по режиму работы подразделяются на статические и динамические. Статические ЛЭ могут работать как в статическом, так и в динамическом (импульсном) режимах. Статические элементы наиболее широко используются в современных микросхемах. Динамические ЛЭ могут работать только в импульсном режиме.

Логические элементы классифицируют также по типу применяемых транзисторов. Наибольшее распространение получили ЛЭ на биполярных и МДП-транзисторах. Кроме того, интенсивно разрабатываются ЛЭ на арсенидгаллиевых полевых транзисторах с управляющим переходом металл– полупроводник (МЕП-транзисторах) и гетероструктурных полевых транзисторах с управляющим переходом металл–полупроводник (ГМЕП-транзисторах). Для каждого из перечисленных типов ЛЭ существует большое число их схемотехнических и конструктивно-технологических разновидностей. Например, к биполярным ЛЭ относятся элементы ТТЛ, эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), интегральной инжекционной логики (И2Л) и другие.

200

9.8. Базовые логические элементы цифровых интегральных микросхем

Логические интегральные микросхемы, выпускаются в виде серии логических элементов. Логические интегральные микросхемы, выполненные по биполярной технологии и схемотехнической реализации, делятся на следующие группы:

1.Транзисторная логика с непосредственной связью между логическими элементами (ТЛНС).

2.Транзисторная логика с резистивными связями между логическими элементами (ТРЛ).

3.Резистивно–емкостная транзисторная логика (РЕТЛ).

4.Диодно–транзисторная логика (ДТЛ).

5.Транзисторно–транзисторная логика (ТТЛ).

6.Эмиттерно–связанная логика.

7.Инжекционная интегральная логика И2Л.

С применением полевых транзисторов наибольшее развитие получили микросхемы КМДП логики.

Серии цифровых интегральных микросхем ТЛНС, ТРЛ, РЕТЛ, ДТЛ хотя и продолжают выпускаться промышленностью, но используются для комплектации находящейся в эксплуатации электронной аппаратуры и не используются в новых разработках. Наиболее интенсивное распространение в настоящее время получили серии цифровых интегральных микросхем, построенных на основе ТТЛ, ЭСЛ, И2Л, КМПД логики.

Разработка каждой серии микросхем начинается с базового логического элемента – основы всех элементов, узлов и устройств серии. Базовые логические элементы выполняют либо операцию И–НЕ, либо ИЛИ–НЕ. Разнообразие типов базовых элементов объясняется тем, что каждый из них имеет свои достоинства и свою область применения.

9.9. Диодно–транзисторная логика

Диодно–транзисторная логика (ДТЛ) представляет собой сочетание диодных логических ячеек с транзисторным инвертором. Базовым логическим элементом всех серий ДТЛ является элемент Шеффера (элемент И–НЕ), реализующий операцию логического умножения с отрицанием. Промышленностью выпускается следующий перечень серий элементов ДТЛ: К104, К109, К121,

К128, К146, К202, К215, К217, К218, К221, К240, К511.

Схема логического элемента ДТЛ представлена на рис. 9.14.

Входные диоды VD1…VD3 и резистор R1 образуют входную логическую схему, выполняющую в положительной логике операцию И. Инвертор на транзисторе VТ1 выполняет логическую операцию НЕ, усиливает и формирует сигналы на выходе до стандартного уровня. Смещающие диоды VD4 и VD5 пред-