ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Логический элемент – это такая схема, у которой несколько входов и один выход. Каждому состоянию сигналов на входах, соответствует определенный сигнал на выходе. Схема выполняет какую­либо логическую операцию (операции) над входными данными, заданными в виде уровней напряжения, и возвращает результат операции в виде выходного уровня напряжения.

Для того, чтобы понять как логический элемент работает, нужно нарисовать таблицу, в которой будут перечислены состояния на выходе при любой комбинации входных сигналов. Такая таблица называется таблицей истинности

или переключательной таблицей.

Логические элементы 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.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ АЛГЕБРЫ

ЛОГИКИ

Элементарными логическими функциями являются: логическое сложение (дизъюнкция), логическое умножение (конъюнкция), логическое отрицание (инверсия). Аналитические формы записи функций позволяют получить основные законы алгебры логики отдельно для операций логического умножение и сложения (И и ИЛИ).

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ

Микросхемы, внутри которых содержатся цифровые элементы. Около выводов элементов обозначены номера соответствующих выводов микросхемы. Все микросхемы, перечисленные здесь, имеют 14 выводов. Питание подается на выводы 7 (gnd) и 14 (+).

ДТЛ

Диодно–транзисторная логика (ДТЛ) представляет собой сочетание диодных логических ячеек с транзисторным инвертором. Базовым логическим элементом всех серий ДТЛ является элемент И–НЕ, реализующий операцию логического умножения с отрицанием.

Схема логического элемента ДТЛ представлена на рисунке 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 назначены для увеличения порога запирания и помехоустойчивости схемы в закрытом состоянии, а резистор R2 и U2ип обеспечивают оптимальную

величину тока этих диодов. Диоды VD1…VD3 должны обладать минимальным сопротивлением в проводящем состоянии; высоким (максимальным) обратным напряжением; малой емкостью и малым временем восстановления обратного сопротивления.

ДТЛ

ДТЛ

ТТЛ

Принципиальная электрическая схема, условное обозначение, временные диаграммы базового логического элемента серий ТТЛ приведены на рис 9.16. Базовый логический элемент ТТЛ выполняет операцию И–НЕ. Схема базового элемента ТТЛ состоит из двух частей. Входная часть реализует логическую функцию И с помощью VТ1 и резистора R1. Выходная цепь реализует функцию НЕ и содержит сложный инвертор на транзисторах VТ2…VТ4.

ТТЛ

Базовые элементы различных серий ТТЛ различаются только инверторами, которые должны улучшать переходные характеристики, повышать помехоустойчивость и нагрузочную способность, потреблять небольшую мощность.

Для уменьшения входных токов транзистор VТ1 должен обладать малым коэффициентом передачи тока базы в инверсном режиме h i э 21 ≈0,005…0,05 .

Логические элементы со сложным инвертором потребляют большую мощность, занимают большую площадь кристалла, поэтому на их основе изготавливаются цифровые микросхемы малой и средней степени интеграции.

Быстродействие логических элементов различных серий ТТЛ можно повысить двумя путями:

–уменьшая сопротивление резисторов и паразитные емкости;

–обеспечивая работу транзисторов в активном, т.е. ненасыщенном режиме, при котором отсутствует накопление и рассасывание носителей в базах транзисторов. Оба эти способа повышения быстродействия нашли практическое применение.

ЭСЛ

Цифровые микросхемы эмиттерно–связанной логики составляют схемы на переключателях тока с объединенными эмиттерами, обладающие по сравнению с другими типами цифровых схем наибольшим быстродействием и большой потребляемой мощностью.

Большое быстродействие ЭСЛ логики обеспечивается:

–за счет работы транзисторов в ненасыщенном (линейном) режиме;

–за счет применения на выходах схемы эмиттерных повторителей, ускоряющих процесс заряда и разряда нагрузочных емкостей;

–за счет ограничения перепада выходного напряжения, что приводит к снижению статической помехоустойчивости.

ЭСЛ

ЭСЛ

Логический элемент состоит из трех частей: токового переключателя (ТП), эмиттерных повторителей (ЭП), источника опорного напряжения (ИОН).

Рассмотрим принцип работы базового логического элемента для положительной логики. Если на все логические входы подается напряжение низкого уровня, соответствующее логическому нулю, то транзисторы VТ1–VТ3 закрываются, а транзистор VТ 4 открывается, так как напряжение на его базе становится выше, чем на базах входных транзисторов. Через открытый транзистор протекает ток Iк2, значение которого задается резистором Rэ, и создает падение напряжения на резисторе R2. Потенциал коллектора транзистора VТ4 при этом понижается и подается на вход эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе VТ7. На выходе эмиттерного повторителя получается низкий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю.

В это же время через резистор R1 левой ветви токового ключа протекает небольшой обратный ток Iк1. Потенциал коллектора транзистора VТ3 повышается и поступает на базу эмиттерного повторителя транзистора VТ6. На выходе транзистора VT6 имеем большой потенциал, логическую единицу, при этом выполняется логическая операция ИЛИ–НЕ.

И2Л

И2Л

И2Л

И2Л