Реализация логических элементов в диодной, транзисторно-транзисторной и КМОП-логике

Все приведенные в этом параграфе схемы устройств и принцип их работы справедливы для прямой логики — когда высокий уровень напряжения соответствует логической единице, а низкий уровень напряжения — логическому нулю.

Самыми простыми в изготовлении являются логические схемы в диодной логике, они содержат меньше всего элементов. Можно показать, как с помощью диодов реализовать логический элемент И, выполняющий функцию конъюнкции (рис. 5.4.1).

Если на один из входов (например, соединенный с диодом D1) передается сигнал, соответствующий уровню логического нуля, то через резистор R и диод D1 появляется ток, уменьшая потенциал выхода. То же возможно.

Рис. 5.4.1. Реализация двухвходового элемента И на базе диодной логики.

при подаче логического нуля на другой вход или на оба входа. Отличное от нуля напряжение на выходе устройства появляется только в случае, когда оба диода будут закрыты. Это возможно, если напряжение на обоих входах будет соответствовать уровню логической единицы.

Удобнее всего показать, как меняется состояние выхода устройства, с помощью таблицы работы элемента И (табл. 5.4.1), напоминающей таблицу истинности.

Таблица 5.4.1

Таблица работы элемента И.

Сходным образом можно рассмотреть реализацию с помощью диодной логики логического элемента ИЛИ, выполняющего функцию дизъюнкции (рис. 5.4.2).

Рис. 5.4.2. Реализация двухвходового элемента ИЛИ на базе диодной логики.

При этом напряжение на выходе устройства, соответствующее уровню логической единицы, появляется в случае, когда один или оба диода будут открыты. Это возможно, если напряжение на одном или обоих входах будет соответствовать уровню логической единицы. Тогда потенциал выхода увеличивается из-за тока через соответствующие диод и резистор R. Состояния элемента ИЛИ приведены в табл. 5.4.2.

Важно не оставлять входы устройства свободными. Если сигнал на входе соответствует уровню логического нуля, данный вход должен быть фиТаблица работы элемента ИЛИ.

зически подключен к точке с нулевым потенциалом. Нельзя с уверенностью сказать, чему равен уровень сигнала на свободно висящем входе.

Для схем, выполненных в диодной логике, уровнем логической единицы считают входной сигнал, равный 5 ± 0,25 В. Как будет показано ниже, другие способы реализации логических схем работают с таким же уровнем напряжения единичного сигнала, что позволяет комбинировать схемы между собой.

Схемы, выполненные в диодной логике (а также схемы ТТЛи КМОПлогики), называют расширяемыми по входу, так как их свойства и принцип действия сохраняются при увеличении числа входов.

Схемы, выполненные в диодной логике, отличаются высоким быстродействием и малым количеством элементов, но у них снижается помехоустойчивость из-за падения напряжения на открытых диодах. Это ухудшает свойства каскадного соединения подобных логических схем, т. е. схем, в которых более сложные элементы выполнены с использованием простых элементов.

В качестве примера использования резисторно-транзисторной логики можно привести схему логического элемента НЕ, выполняющего функцию логического отрицания (рис. 5.4.3). Такой элемент строится на базе каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе, где транзистор работает в ключевом режиме.

Рис. 5.4.3. Элемент НЕ (резисторно-транзисторная логика)

При подаче на вход сигнала логической единицы транзистор переходит в режим насыщения (табл. 5.4.3). Этот режим характеризуется большим током базы и, соответственно, большим током коллектора. Это приводит к увеличению напряжения на R_K и снижению выходного напряжения (и_вых = = Е_к — i_KR_K) до уровня логического нуля. Если же сигнал на входе устройства соответствует уровню логического нуля, транзистор переходит в режим отсечки, ток коллектора уменьшается и вследствие этого возрастает выходное напряжение.

Состояния элемента НЕ в РТЛ

Логические элементы И-НЕ, ИЛИ-HE сначала строили путем комбинирования рассмотренных выше схем, т. е. с использованием ДТЛ. Однако впоследствии такие элементы стали формировать на базе ТТЛ, что значительно улучшило их свойства — увеличились быстродействие, нагрузочная способность, уменьшилась чувствительность к помехам.

Такие схемы обладают большой помехоустойчивостью, но высоким потреблением энергии в переходных режимах и наличием токов в статических состояниях.

В настоящее время помимо стандартных схем ТТЛ-логики также применяют маломощные ТТЛ-схемы с диодами Шоттки (ТТЛШ-логика). Они отличаются меньшим потреблением энергии по сравнению со стандартными ТТЛ-элементами. Использование диодов Шоттки также позволяет снизить время срабатывания таких элементов.

Для устранения перечисленных выше недостатков, которыми обладают ТТЛ-схемы, применяют схемы, построенные на КМОП-логике.

Такие схемы обладают большой нагрузочной способностью (возможностью подключать к выходу устройства большое количество входов других логических элементов) и высокой помехоустойчивостью. Недостатком КМОП-схем можно назвать увеличение потребляемого тока при увеличении частоты (выше 10—50 МГц) за счет частого заряда и разряда внутренних емкостей транзисторов. Также необходимо учитывать чувствительность КМОП-схем к статическому электричеству.

КМОП-схемы могут работать при напряжениях питания от 2 до 6 В. При сопряжении данных элементов с элементами ТТЛ-логики питание устройств осуществляется стандартным для ТТЛ-схем напряжением 5 В. В настоящее время при использовании ряда КМОП-схем их питание обеспечивается батареями с напряжением 3,3 В. Уменьшение питающего напряжения позволяет уменьшить размеры элементов без риска внутреннего пробоя.

Упражнение 5.4.1.

Работа логических элементов, описанных в данном параграфе, строилась на базе прямой логики — когда высокий уровень напряжения соответствует логической единице, а низкий уровень напряжения — логическому нулю. Предположите, что теперь используется инверсная логика — высокий уровень напряжения соответствует логическому нулю, а низкий уровень напряжения — логической единице. Запишите таблицу истинности для элемента диодной логики, показанного на рис. 5.4.2. Какому логическому элементу соответствует эта таблица?