Логические схемы с полупроводниковыми элементами

В современной вычислительной технике применяются исключительно полупроводниковые логические схемы. В логических схемах полупроводниковые элементы работают в режиме переключения, при котором сопротивление электрической цепи существенно изменяется.

Логические схемы И и ИЛИ можно реализовать с помощью полупроводниковых диодов. Диоды обладают односторонней проводимостью. Их сопротивление току в прямом направлении очень мало, а в обратном направлении велико. Поэтому можно считать, что диод проводит ток лишь в прямом направлении, когда потенциал анода положителен относительно потенциала катода. Если на катод подано положительное напряжение достаточной величины, ток через диод прекращается. Это равносильно разрыву электрической цепи (ее сопротивление становится очень большим). В логических схемах, выполненных на диодах, именно путем подачи на катод положительного (управляющего) напряжения от дополнительного источника или от другой логической схемы осуществляется запирание диода.

Для обеспечения нормальной работы диодов в логических схемах необходимо учитывать допустимые значения тока и обратного (запирающего) напряжения, которые не следует превышать.

На рис. 3.24, а представлена диодно-резисторная схема И с двумя входами. Полярность входных сигналов положительна. На временной диаграмме (рис. 3.24, б) видно, что сигнал на выходе появляется в то время, когда на оба входа одновременно поступают сигналы.

Схема работает следующим образом. При отсутствии входных сигналов (потенциал в точках Вход 1 и Вход 2 равен нулю) от источника U через сопротивление R и диоды в прямом направлении протекает ток к входам. Образуется делитель напряжения, состоящий из сопротивления R и диодов, соединенных параллельно. Сопротивление резистора R выбирается в десятки раз больше сопротивления диодов в прямом направлении. При открытых диодах потенциал на выходе будет приблизительно равен нулю. Потенциал на выходе не изменится заметно при наличии сигнала только на одном входе, т. к. другой диод остается открытым. Если же оба диода будут заперты в результате подачи на входы положительных сигналов, то потенциал на выходе скачкообразно возрастет почти до +U.

Рис. 3.24: а — диодно-резисторная схема И; б — временная диаграмма схемы

С помощью диодов и резисторов можно реализовать и логическую схему ИЛИ (рис. 3.25, а).

Рис. 3.25: а — диодно-резисторная схема ИЛИ; б — временная диаграмма схемы

Схема работает следующим образом. При отсутствии сигналов на входах потенциал на выходе равен нулю, т. к. второй конец резистора R также является заземленным. Если на какой-либо из входов поступает положительный импульс, то через соответствующий диод протекает ток. Потенциал в средней точке делителя, образованного диодом (диодами) и резистором Я, будет приблизительно равен верхнему уровню импульса, поскольку и в этом случае сопротивление R выбирается во много раз большим сопротивления открытого диода. Из временной диаграммы (рис. 3.25, б) видно, что сигнал на выходе появляется тогда, когда хотя бы на один вход подан импульс.

Кроме схем, реализующих простые логические функции, существуют диодно-резисторные схемы комбинаций И и ИЛИ. С помощью схемы, представленной на рис. 3.26, реализуется логическая функция д;= AB + CD. Схема состоит из двух схем И (D_]D-_yR_] и D^D₄R-,) и одной схемы ИЛИ (D₅D₆R₃), все для положительных сигналов.

Рис. 3.26. Диодно-резисторная схема для функции х=ЛВ + CD.

При реализации логических схем полезно помнить формулы де Моргана из алгебры логики.

согласно которым схема ИЛИ для положительных сигналов превращается в схему И для отрицательных сигналов, и наоборот.

Достоинством диодно-резисторных логических схем является их простота, а недостатком — ослабление сигнала на выходе, т. е. то, что амплитуда выходного сигнала получается меньше амплитуды входного. Из-за ослабления сигнала не принято соединять последовательно более двух диодно-резисторных логических схем.

Транзисторы являются важнейшими элементами в схемах современных вычислительных машин. В транзисторных логических схемах входные сигналы также изменяются скачкообразно между двумя уровнями, один из которых принимают за логический 0, а другой — за логическую 1. Транзисторы обычно работают в так называемом ключевом режиме, который характеризуется тем, что транзистор или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Сопротивление участка эмиттер — коллектор изменяется от долей Ома (открыт) до десятков и сотен килоом (заперт). В схемах с общим эмиттером транзистор запирается путем подачи на его базу сигналов соответствующей полярности (отрицательной для п-р-п транзисторов).

Простейшей транзисторной логической схемой является инвертор (рис. 3.27), который реализует функцию НЕ. Когда на вход инвертора подается сигнал положительной полярности, на его выходе получается сигнал отрицательной полярности, и наоборот. Благодаря усилительным свойствам транзистора инвертор очень удобен для совместной работы с диодно-резисторными схемами; при этом образуется схема диоднотранзисторной логики (ДТЛ). На рис. 3.28, в качестве примера, представлена диодно-транзисторная схема для функции И-НЕ.

Рис. 3.27. Транзисторный инвертор

Диоды D, и D₂ (рис. 3.28) совместно с резистором Я, образуют схему И для положительных сигналов. Диоды Z)₃ и D_A определяют пороговое напряжение срабатывания инвертора. При открывании и насыщении транзистора Т напряжение на выходе близко к нулю. Это напряжение логического нуля, и оно образуется при подаче сигналов логической единицы на все входы схемы (в этом случае диоды D_] и D₂ заперты, a Z)₃ и Z)₄ открыты).

Наибольшее применение в современной вычислительной технике транзисторы находят не как отдельные дискретные элементы, а как часть интегральных схем.

Рис. 3.28. Диодно-транзисторная схема для функции И-НЕ

Чтобы не вычерчивать электрических схем логических элементов, их принято изображать в условном виде. Условные обозначения логических элементов приведены на рис. 3.29. На рис. 3.30 показаны некоторые эквивалентные логические схемы в принятых обозначениях.

Рис. 3.29. Обозначении логических элементов

Рис. 3.30. Эквивалентные обозначения

Кружки на сторонах прямоугольника обозначают инвертирование сигналов на входе или выходе логического элемента. Знак & внутри прямоугольника означает операцию логического умножения, а знак 1 операцию логического сложения. Отсутствие знака внутри прямоуголь ника означает повторение входного сигнала на выходе логического эле.

Рис. 3.31. Логическая схема для функции х = (АВ + C) D + EF

мента.

В качестве примера рассмотрим схему реализации функции х = (ЛВ + C) D + EF. Схема представлена на рис. 3.31.

Если замкнуть накоротко входы элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ, они будут работать как инверторы и осуществлять только функцию НЕ. Ранее было показано, что с помощью элемента И-НЕ можно реализовать все функции двух переменных. Примеры такой реализации приведены на рис. 3.32.

Рис. 3.32. Выражение функций И, НЕ и ИЛИ с помощью логического элемента И-НЕ