4.2.1 Диодные логические элементы

Диодные логические элементы являются исторически первыми и самыми про­стыми схемами, которые реализуют булевы функции ИЛИ, И, И-ИЛИ, ИЛИ-И.

Диод­ные элементы не усиливают входных сигналов и не могут выполнять операцию НЕ.

При рассмотрении работы логических элементов принимают (если не оговоре­но особо) положительное кодирование: высокий уровень напряжения U_H отобража­ет лог. 1, а низкий уровень U_L — лог. 0.

Элемент ИЛИ

Логика работы логического элемента ИЛИ на два входа Х₁ и Х₂ представлена в табл. 4.1, на основе которой получают выражение для выходной булевой функции элемента F = Х₁ Х₂.

Используя принцип суперпозиции, функцию F можно записать для произвольного числа входных переменных F = Х₁ Х₂ Х₃ … Х_n

Табл.4.1

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

Рисунок 4.15-Диодный элемент ИЛИ: а) –схема;

б) –условное графическое обозначение;

в) –временные диаграммы работы

Схема двухвходового элемента ИЛИ, его условное графическое изображение и временные диаграммы работы показаны на рис. 4.15.

Высокий уровень напряжения U_0H на выходе диодного элемента ИЛИ устанав­ливается при подаче на один или оба входа высоких уровней напряжения U_IH, при которых открываются соответствующие кремниевые диоды VD1 или VD2, либо оба вместе. В резистор нагрузки R_H втекает выходной ток I_0Н, определяемый по форму­ле

Iон = U_0H/Rн.

Значение выходного высокого уровня U_0H зависит от входных напряжений:

U_0H = U_1H - U^*,

где U^* = 0,8 В — прямое падение напряжения на кремниевом диоде.

Для U_1H = 5 В, R_H =1 кОм получим:

U_OH = U_1H - U^* = 5 - 0,8 = 4,2 В;

Iон = Uон / Rh = 4,2/10³ = 4,2 мА.

При подаче одновременно на оба входа низких уровней напряжения U_IL < 0,4 В, диоды закрыты, ток в цепи нагрузки не протекает и выходное напряжение U_OL почти равно нулю.

На выходе элемента обычно имеется паразитная емкость С_п = 25...100 пФ вследствие чего длительность фронта t_LH очень мала (емкость быстро заряжается от источника входных сигналов через малое прямое сопротивление открытого дио­да), а длительность спада t_HL велика (диоды закрыты и емкость разряжается через резистор R_H).

Поэтому для диодных схем ИЛИ выполняется неравенство t_LH « t_HL (рис. 4.15, в).

Элемент И

Логика работы логического элемента И на два входа X₁ и Х₂ представлена в табл. 4.16, на основе которой получают выражение для выходной булевой функции элемента F = Х₁Х₂.

Используя принцип суперпозиции, функцию F можно записать для произвольного числа входных переменных:

F = X₁ X₂... Xn.

Схема двухвходового элемента И, его условное графическое изображение и временные диаграммы работы, показаны на рис. 4.2.

Высокий уровень напряжения U_0H на выходе диодного элемента И устанавли­вается только при одновременной подаче на оба входа высоких уровней напряже­ния U_IH, при которых закрываются кремниевые диоды VD1 и VD2. При этом от ис­точника питания U_cc через резисторы R и R_H протекает ток нагрузки Iон = Ucc / (R + R_H), который определяет значение высокого уровня выходного напряжения Uон ⁼ Iон Rн = Ucc R_h / (R + Rн).

Табл. 4.2

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

Рисунок 4.16 -Диодный элемент И: а) –схема;

б) –условное графическое обозначение; в) –временные диаграммы работы

Как правило, используют значения R = 1... 2 кОм и R_H > R. Длительность фрон­та выходного сигнала t_LH определяется временем заряда паразитной емкости С_п через большое сопротивление резистора R.

Если на один из входов, например Х₁ подан низкий уровень напряжения U_IL, то диод VD1 открывается. При этом от источника питания U_cc по цепи: резистор R, открытый диод VD1 и источник входного сигналах, — протекает ток, значение которого определяют из выражения

I_l=[U_cc – (U* + U_1L)] /R,

и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения

U_0L = Ucc – I_L R = U_lL + U^*,

где U* = 0,8 В — прямое падение напряжения на открытом диоде VD1.

Источники входных сигналов строят так, чтобы они пропускали втекающий в них ток I_IL.

Длительность спада выходного сигнала определяется временем разряда пара­зитной емкости С_п через малое прямое сопротивление открытого диода. Поэтому в диодных схемах И длительность фронта выходного сигнала значительно больше длительности спада: t_LH » t_HL.

Элемент НЕ

Логика работы логического элемента НЕ (инвертора) представлена в табл. 4.17, на основе которой получают выражение для выходной булевой функции F = .

Схема элемента НЕ, его условное графическое изображение и временные диаграммы работы показаны на рис. 4.3.

Т абл.4.3

Х	F
0	1
1	0

Рисунок 4.17- Элемент НЕ: а) – схема;

б) – условное графическое обозначение;

в) – временные диаграммы работы

Схема элемента НЕ включает:

-VT1 — кремниевый транзистор n-p-n типа;

-резисторы в цепи коллекторной нагрузки R_K и базы R_Б,

-U_cc — источник питания.

Такую схему часто называют транзисторным ключом.

Транзистор VT1 может находиться в трех основных режимах:

-отсечки коллек­торного тока (закрытое состояние),

-насыщения (открытое состояние)

-активной ра­боты (усиление).

В режиме отсечки коллекторный и базовый переходы закрыты (на вход подан низкий уровень напряжения U_IL), в цепи коллектора протекает очень ма­лый обратный ток коллекторного перехода I_КО < 1 мкА и на коллекторе транзистора устанавливается высокий уровень напряжения, определяемый из выражения

U_oh = U_cc - I_КО ∙ R_k. ≈ U_сс

В режиме насыщения (на вход подан высокий уровень напряжения U_0h) на кремниевом переходе база-эмиттер прямое падение напряжения равно U_БН = U*= 0,8 В, через коллектор протекает максимально возможный ток, который называет­ся током насыщения коллектора I_кн.

Значение этого тока находят из соотношения

Iкн = (Uсc - U_kh) / R_k.

где U_кн = U_ol < 0,4 В — напряжение на коллекторе насыщенного транзистора.

На­пример, для типовых значений U_cc = 5 В, R_K = 1 кОм получим для тока I_кн ≈ 5 мА.

Уменьшение длительности переходных процессов обеспечивается схемой элемента НЕ (рис. 4.18, а), в которой вместо резистора R_Б включены два последова­тельно включенных диода VD1 и VD2.

Рисунок 4.18- Элемент НЕ с диодами в цепи базы

а) –схема; б) –временные диаграммы базовых токов

Диоды VD1 и VD2 называются смещающими, поскольку они смещают порого­вый уровень входного открывающего напряжения в большую сторону на значение 2U*.

Емкость С_Б называется ускоряющей (форсирующей), поскольку она при вклю­чении быстро заряжается, увеличивая при этом прямой ток базы I_Б1 > I_БН, а при вы­ключении быстро разряжается, создавая обратный, выключающий ток с амплитудой I_Б2. Этот ток ускоряет рассасывание избыточного заряда в базе транзистора.