2. Елементи комп’ютерної схемотехніки

2.1. Діодні, транзисторні, інтегрально-інжекційні та діодно-транзисторні логічні елементи

У комп’ютерній схемотехніці в основному використовують потенціа­ль­ну систему елементів. Вона має такі особливості:

• на входах та виходах логічних елементів діють тільки потенціальні сигнали;

• з виходу одного елемента на вхід іншого передаються як перехідні, так і усталені значення сигналів;

• на шляху потенціального сигналу недозволено вмикати конденсатори, обмотки трансформаторів, оскільки тривалість потенціального сиг­налу взагалі не обмежена (такий вид електричного зв’язку називають гальванічним або безпосереднім);

• відсутність конденсаторів і трансформаторів у колах зв’язку сприяє спрощенню технології виготовлення мікросхем;

• реалізується обмежений набір булевих функцій: НЕ, ЧИ, І, НЕ ЧИ, НЕ І, НЕ І-ЧИ, що полегшує застосування автоматизованих методів про­ек­тування.

Потенціальні елементи розрізняють за схемотехнічною ознакою – спосо­бом з’єднання транзисторів, діодів і резисторів між собою в межах однієї схеми типового базового елемента. Прийнято вважати, що сукупність елементів із за­гальною ознакою побудови утворюють вид схемної логіки або просто логіку.

Розрізняють такі види логіки потенціальних елементів:

• діодна (ДЛ) і діодно-транзисторна логіка (ДТЛ);

• транзисторна логіка (ТЛ), у якій виділяють схеми з безпосереднім зв’язком (ТЛБЗ), з резистор ним зв’язком (ТЛРЗ) і резисторно-конден­саторними зв’язками (ТЛРКЗ);

• інтегрально-інжекційна логіка (ІІЛ або І²Л);

• транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ) та її модифікації з діодом Шотки (ТТЛ);

• емітерно-зв'язана логіка (ЕЗЛ);

• МОН-транзисторна логіка (p-МОН, n-МОН, КМОН);

• логіка на основі арсеніду галію (AsGa).

2.1.1. Діодні логічні елементи

Діодні логічні елементи є історично першими і найпростішими схемами, що реалізують булеві функції ЧИ, І, І-ЧИ, ЧИ-І. Діодні елементи не підсилюють вхідний сигнал і не виконують операцію НЕ.

При розгляді роботи логічних елементів приймають (якщо не оговорено окремо) позитивне кодування: високий рівень напруги U_Н відображає лог. 1, а низький рівень U_L – лог. 0.

Елемент ЧИ Таблиця 2.1

Л

X1	X2	F
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

огіка роботи логічного елемента ЧИ на два вхо­ди Х₁ і

Х₂ подана в таблиці 2.1 на основі якої отримано вираз для вхі­дної мулевої функції елемента .

Використовуючи принцип суперпозиції, функцію F мож­­на записати для довільної кількості вхідних змінних

.

С хема двоходового елемента ЧИ, та умовне графічне зображення і часо­ві характеристики зображено на рис. 2.1.

Високий рівень напруги U_ОН на виході діодного елемента ЧИ встанов­люється при подачі на один або обидва входи високих рівнів напруги U_ІН, при яких відкриваються відповідні кремнієві діоди VD1 чи VD2, або обидва разом. Через резистор навантаження R_Н проходить вихідний струм І_ОН, який визнача­ється за формулою

І_ОН=U_ОН/R_Н

Значення вихідного високого рівня U_ОН залежить від вхідних напруг:

U_ОН= U_ІН- U^*,

де U^*=0,8 В – пряме падіння напруги на кремнієвому діоді.

Для U_ІН=5 В, R_Н=1 кОм отримаємо

U_ОН= U_ІН- U^*=5-0,8=4,2 В;

І_ОН=U_ОН/R_Н=4,2/103=4,2 мА.

Під час подачі одночасно на обидва входи низьких рівнів напруги U_IL≤0,4 В, діоди закриті, струм у колі навантаження не протікає і вихідна напруга U_ОL майже дорівнює нулю.

На виході елемента звичайно існує паразитна ємність С_П=25±100 пФ, в наслідок чого тривалість фронту t_LH дуже мала (ємність швидко заряджається від джерела вхідних сигналів через малий прямий опір відкритого діода), а три-валість спаду t_НL велика (діоди закриті і ємність розряджається через резистор R_Н). Тому для діод них схем ЧИ виконується нерівність t_LH<< t_НL (рис. 2.1. в).

Елемент І

Роботи логічного елемента І на два входи Х₁ та Х₂ подана в табл. 2.2, на основі якої отримано вираз для вихідної булевої функції елемента F=X₁X₂.

X1	X2	F
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Таблиця 2.2 Використовуючи принцип суперпозиції функцію F мож­ливо записати для довільної кількості вхідних змінних:

F=X₁X₂…X_n.

Схема двоходового елемента І, його умовне позначення і часові діаграми роботи, показано на рис. 2.2.

Високий рівень напруги U_OH на виході діодного елемента І встановлює­ться тільки при одночасній подачі на обидва входи високих рівнів напруги U_ІH, при яких закриваються кремнієві діоди VD1 і VD2. При цьому від джерела жив­лення U_СС через резистори R і R_Н протікає струм навантаження

І _ОН= U_СС/( R+R_Н),

що визначає значення високого рівня вихідної напруги

U_OH= І_ОН R_Н= U_СС R_Н/( R+R_Н).

Як правило, використовують резистор R=1…2 кОм та R_H>R. Тривалість фронту вихідного сигналу t_LH визначається часом заряду паразитної ємності С_п через великий опір резистора R. Якщо на один із входів, наприклад Х₁, подано низький рівень напруги U_ІL тоді діод VD1 відкривається. При цьому від джере­ла живлення U_СС у колі резистора R, відкритий діод VD1 та джерело вхідного сигналу Х₁ протікає струм, значення якого розраховуємо за формулою

I_IL=[ U_СС-(U^*+U_IL)]/R,

і на виході встановлюється низький рівень напруги

U_OL=U_CC-I_ILR=U_IL+U^*,

де U^*=0,8 В – пряме падіння напруги на відкритому діоді VD1. Джерела вхід­них сигналів формують так, щоб вони пропускали струм І_IL, який в них про­тікає.

Тривалість спаду вхідного сигналу визначається часом розряду пара­зитної ємності С_П через малий прямий опір відкритого діода. Тому в діод них схемах І тривалість фронту вихідного сигналу значно більша за тривалість спаду t_LH>>t_HL.