1.3. Схемотехническая реализация логических элементов

При реализации логических функций на электронных элементах в качестве логической переменной используются параметры сигнала. Если в качестве логической переменной используется уровень напряжения, то такой способ подачи сигнала называют потенциальным. Если при этом высокому уровню напряжения приписывают значение логической единицы, а низкому  логического нуля, то логику называют положительной (позитивной), в противном случае – отрицательной (негативной). Разность уровней логических 0 и 1 называют логическим перепадом. Другой способ задания логических переменных  импульсный, или динамический, оперирует перепадами напряжений. При этом логической 1 соответствует фронт импульса, а логическому 0  его спад (либо наоборот).

Рис. 1. Параметры импульса

Прежде, чем переходить к описанию логических элементов, перечислим основные параметры импульсных сигналов. Вид реального импульсного сигнала представлен на рисунке 1. Участки ab и cd называются фронтом и спадом импульса соответственно, участок bc – его вершиной. Наибольшее значение напряжения U₀ называют амплитудой (высотой) импульса. Основными временными характеристиками импульса являются его длительность _и, которая определяется по уровню 0,1U₀, длительность фронта _ф и длительность спада _с, определяемые по уровням напряжения 0,1U₀ и 0,9U₀. Изменение напряжения на вершине импульса U₀ называется завалом вершины.

Существует масса способов реализации логических элементов, работающих по потенциальному принципу (при этом говорят о разных типах логик), – диодно-резистивная логика (ДРЛ), резистивно-транзисторная логика (РТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), интегральная инжекционная логика (И₂Л), эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), МОП-логика, комплементарная МОП-логика. Перечисленные типы логик различаются быстродействием, энергопотреблением, нагрузочной способностью и другими характеристиками. Обозначения логических элементов, реализующих перечисленные выше базовые логические операции, представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Обозначения базовых логических элементов:

a – элемент НЕ; б – элемент ИЛИ; в – элемент ИЛИ-НЕ; г – элемент И;

д – элемент И-НЕ; е – исключающее ИЛИ; ж – исключающее ИЛИ-НЕ

В рамках каждой логики технологически выгодно создавать базовый логический элемент (например – элемент И-НЕ), а затем все остальные операции и функции строить на его основе, приведя их к соответствующему базису. Мы рассмотрим только самые простые примеры построения логических элементов.

Резистивно-транзисторная логика (РТЛ) строится на основе транзисторов и резисторов. Ее базовым элементом является элемент ИЛИ-НЕ, схема которого приведена на рисунке 3. Если одно из входных напряжений имеет высокий уровень u_1i  E, открывается соответствующий транзистор и на выходе формируется низкий уровень u₂  0. Высокий уровень на выходе схемы возможен только в том случае, когда оба транзистора закрыты, то есть входные напряжения близки к нулю (принимают низкий уровень). Таким образом, в рамках позитивной логики описанная схема реализует операцию ИЛИ-НЕ.

Входное сопротивление описанного элемента РТЛ нельзя сделать очень большим, поскольку для полного отпирания транзистора резисторы R должны иметь сопротивление не более нескольких кОм. Выходное сопротивление схемы достаточно велико (порядка выходного сопротивления усилителя с общим эмиттером), то есть нагрузочная способность этого элемента мала. Кроме того, потребление тока от источника питания зависит от состояния транзисторов, а это означает, что при достаточно частых переключениях элемента он будет служить источником импульсных помех по цепям питания. Этот эффект можно несколько снизить, зашунтировав цепь питания блокировочным конденсатором.

Рис. 4. Элемент И-НЕ типа ДТЛ

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) в качестве базового использует элемент И-НЕ, схема которого показана на рисунке 4. По схеме видно, что выходной транзистор схемы VT1 открывается только в том случае, когда оба входных напряжения близки к E, то есть принимают высокий уровень. Если хотя бы одно из входных напряжений близко к нулю (принимает низкий уровень), потенциал точки a приблизительно равен падению напряжения на открытом диоде и транзистор закрыт. Для того, чтобы он открылся, потенциал точки a должен быть больше, чем 30,6 В = 1,8 В; таким образом, двойной диод VD3 в базовой цепи служит для надежного запирания транзистора при наличии низкого уровня на одном из входов и способствует повышению помехоустойчивости схемы.