Бит — это минимальная единица измерения объёма информации, так как она хранит одно из двух значений — 0 (False) или 1 (True). False и True в переводе на русский ложь и истина соответственно. То есть одна битовая ячейка может находиться одновременно лишь в одном состоянии из возможных двух. Напомню, два возможных состояния битовой ячейки равны — 1 и 0.
Есть определённые операции, для манипуляций с битами. Эти операции называются логическими или булевыми операциями, названные в честь одного из математиков — Джорджа Буля (1815-1864), который способствовал развитию этой области науки.
Все эти операции могут быть применены к любому биту, независимо от того, какое он имеет значение — 0(нуль) или 1(единицу). Ниже приведены основные логические операции и примеры их использования.

Логическая операция И (AND)

Обозначение AND: &

Логическая операция И выполняется с двумя битами, назовем их a и b. Результат выполнения логической операции И будет равен 1, если a и b равны 1, а во всех остальных (других) случаях, результат будет равен 0. Смотрим таблицу истинности логической операции and.

Логическая операция ИЛИ (OR)

Обозначение OR: |

Логическая операция ИЛИ выполняется с двумя битами (a и b). Результат выполнения логической операции ИЛИ будет равен 0, если a и b равны 0 (нулю), а во всех остальных (других) случаях, результат равен 1 (единице). Смотрим таблицу истинности логической операции OR.

Логическая операция исключающее ИЛИ (XOR).

Обозначение XOR: ^
Логическая операция исключающее ИЛИ выполняется с двумя битами (a и b). Результат выполнения логической операции XOR будет равен 1 (единице), если один из битов a или b равен 1 (единице), во всех остальных случаях, результат равен 0 (нулю). Смотрим таблицу истинности логической операции исключающее ИЛИ.

Логическая операция НЕ (not)

Обозначение NOT: ~
Логическая операция НЕ выполняется с одним битом. Результат выполнения этой логической операции напрямую зависит от состояния бита. Если бит находился в нулевом состоянии, то результат выполнения NOT будет равен единице и наоборот. Смотрим таблицу истинности логической операции НЕ.

Запомните эти 4 логические операции. Используя эти логические операции, мы можем получить любой возможный результат. Подробно об использовании логических операций в С++ читаем .

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Общие сведения.

Выше отмечалось, что логические функции и их аргументы принимают значение лог.0 и лог.1. При этом следует иметь в виду, что в устройствах лог.0 и лог.1 соответствует напряжению определенного уровня (либо формы). Наиболее часто используется два способа физического представления лог.0 и лог.1: потенциальный и имульсный .

При потенциальной форме (рис. 2.1,а и 2.1,б) для представления лог.0 и лог.1 используется напряжение двух уровней: высокий уровень соответствует лог.1 (уровень лог.1 ) и низкий уровень соответствует лог.0 (уровень лог.0 ). Такой способ представления значений логических величин называется положительной логикой. Относительно редко используют так называемую отрицательную логику, при которой лог.1 ставят в соответствии низкий уровень напряжения, а лог.0 - высокий уровень. В дальнейшем, если это не оговаривается особо, будем пользоваться только положительной логикой.

При импульсной форме лог.1 соответствует наличие импульса, логическому 0 - отсутствие импульса (рис.2.1, в).

Заметим, что, если при потенциальной форме соответствующая сигналу информация (лог.1 либо лог.0) может быть определена практически в любой момент времени, то при импульсной форме соответствие между уровнем напряжения и значением логической величины устанавливается в определенные дискретные моменты времени (так называемые тактовые моменты времени), обозначенные на рис.2.1,в целыми числами t = 0, 1, 2,...

Общие обозначения логических элементов.

Логические элементы базиса И, ИЛИ, НЕ на дискретных компонентах.

диодный элемент ИЛИ (сборка)

Логический элемент ИЛИ, выполняемый на диодах, имеет два и более входов и один выход. Элемент может работать как при потенциальном, так и при импульсном представлении логических величин.

На рис. 2.2,а приведена схема диодного элемента для работы с потенциалами и импульсами положительной полярности. При использовании отрицательной логики и отрицательных потенциалов, либо импульсов отрицательной полярности необходимо изменить полярность включения диодов, как показано на рисунке 2.2,б.

Рассмотрим работу схемы на рис. 2.2,а. Если импульс (либо высокий потенциал) действует лишь на одном входе, то открывается подключенный к этому входу диод и импульс (либо высокий потенциал) передается через открытый диод на резистор R. При этом на резистре R образуется напряжение той полярности, при которой диоды в цепях остальных входов оказываются под действием запирающего напряжения.

рис. 2.2.

Если сигналы, соответствующие лог.1, одновременно поступают на несколько входов, то при строгом равенстве уровней этих сигналов откроются все диоды, подключенные к этим входам.

Если сопротивление открытого диода мало по сравнению с сопротивлением резистора R, уровень выходного напряжения будет близок к уровню входного сигнала независимо от того, на скольких входах одновременно действует сигнал лог.1.

Заметим, что если уровни входных сигналов разнятся, то открывается лишь диод того из входов, уровень сигнала на котором имеет наибольшее значение. На резисторе R образуется напряжение, близкое к наибольшему из напряжений, действующих на входах. Все остальные диоды закрываются, отключая от выхода источники с малым уровнем сигнала.

Таким образом, на выходе элемента образуется сигнал, соответствующий лог.1, если хотя бы на одном из входов действует лог.1. Следовательно, элемент реализует операцию дизъюнкции (операцию ИЛИ).

Рассмотрим факторы, влияющие на форму выходного импульса. Пусть элемент имеет n входов и на один из них подан прямоугольный импульс напряжения от источника с выходным сопротивлением R вых. Подключенный к этому входу диод открыт и представляет собой малое сопротивление. Отсальные диоды закрыты, емкости С д их p-n - перходов через выходные сопротивления подключенных ко входам источников оказываются включенными параллельно выходу элемента. Вместе с емкостью нагрузки и монтажа С н образуется некоторая эквивалентная емкость С эк = С д + (n-1)С д, подключенная параллельно R (рис. 2.3,а).

В момент подачи на вход импульса из-за емкости С эк напряжение на выходе не может возрасти скачком; оно растет по экспоненциальному закону с постоянной времени

(так как R вых < R), стремясь к значению U вх R/(R + R вых).

рис. 2.3.

В момент окончания входного импульса напряжение на заряженном конденсаторе С эк не может упасть скачком; оно снижается по экспоненциальному закону с постоянной времени (в это время все диоды оказываются закрытыми); т.к. длительность среза выходного импульса больше длительности его фронта (рис.2.3,б). Подача следующего импульса на вход элемента допускается лишь после того, как остаточное напряжение на выходе от действия предыдущего импульса снизится до определенного малого значения. Поэтому медленный спад выходного напряжения вызывает необходимость увеличения тактового интервала и, следовательно, является причиной снижения быстродействия.

диодный элемент И (схема совпадения)

Логический элемент И имеет один выход и два или более входов. Диодный элемент И может работать с информацией, представленной как в потенциальной, так и в импульсной форме.

На рис.2.4,а приведена схема, используемая при положительных значениях входных напряжений. При использовании отрицательной логики и отрицательных входных напряжений, либо импульсов отрицательной полярности необходимо изменить полярность напряжения источника питания и полярность включения диодов (рис. 2.4,б).

рис. 2.4.

Пусть на одном из входов цепи на рис.2.4,а действует низкий уровень напряжения, соответствующий уровню лог.0. Ток будет замыкаться в цепи от источника E через резистор R, открытый диод и источник низкого входного напряжения. Так как сопротивление открытого диода мало, то низкий потенциал со входа через открытый диод будет передаваться на выход. Диоды, подключенные к остальным входам, на который действует высокий уровень напряжения, оказываются закрытыми. Действующее на диоде напряжение можно определить суммированием напряжений при обходе внешней по отношению к диоду цепи от его анода к катоду. При таком обходе напряжение на диоде оказывается равным U д = U вых - U вх. Таким образом, выходное напряжение, прикладываемое к анодам диодов, является для них положительным, стремящимся открыть диоды; входное напряжение, прикладываемое к катоду, - отрицательным, стремящимся закрыть диод. И если u вых < u вх, то U д отрицательно и диод закрыт. Именно поэтому, когда на выходе элемента низкий потенциал (уровень лог.0), а на входе высокий потенциал (уровень лог.1), подключенный к этому входу диод оказывается закрытым.

Таким образом, если хотя бы на одном из входов действует напряжение низкого уровня (лог.0), то на выходе элемента образуется напряжение низкого уровня (лог.0).

Пусть на всех входах действуют напряжения высокого уровня (лог.1). Они могут несколько отличаться по значению. При этом будет открыт тот диод, который подключен ко входу с более низким напряжением. Это напряжение через диод будет передаваться на выход. Остальные диоды будут практически закрыты. На выходе установится напряжение высокого уровня (лог.1).

Следовательно, на выходе элемента устанавливается напряжение уровня лог.1 в том и только в том случае, когда на всех входах действует напряжение уровня лог.1. Таким образом, убеждаемся в том, что элемент выполняет логическую операцию И.

Рассмотрим форму выходного импульса (рис.2.5).

Будем считать, что к выходу подключен некоторый эквивалентный емкостной элемент С эк, емкость которого включает в себя емкости нагрузки, монтажа и закрытых диодов. В момент подачи импульса напряжения одновременно на все входы напряжение на С эк (на выходе элемента) не может возрасти скачком. Все диоды вначале оказываются закрытыми входными напряжениями, являющимися для диодов отрицательными. Поэтому источники входных сигналов будут отключены от С эк. Конденсатор С эк заряжается от источника Е через резистор R. Напряжение на конденсаторе (а значит и на выходе элемента) растет по экспоненциальному закону с постоянной времени (рис. 2.5,б). В момент времени, когда u вых превысит минимальное из входных напряжений, откроется соответствующий диод и рост u вх прекратится. Ток от источника Е, ранее замыкавшийся через С эк, переключается в цепь открытого диода.

рис. 2.5.

В момент окончания входных импульсов все диоды открываются положительным для них напряжением u вых. Происходит относительно быстрый разряд С эк через открытые диоды и малые выходные сопротивления источников входных сигналов. Напряжение на выходе снижается по экспоненциальному закону с малой постоянной времени .

Сравнение форм выходных импульсов диодных элементов ИЛИ и И показывает, что в элементе ИЛИ оказывается более растянутым срез импульса, в элементе И - его фронт.

транзисторный элемент НЕ (инвертор)

рис. 2.6.

Операция НЕ может быть реализована ключевым элементом, представленным на рис. 2.6,а. Следует иметь в виду, что этот элемент выполняет операцию НЕ только при потенциальной форме представления логических величин. При низком уровне входного сигнала, соответствующем лог.0, транзистр закрыт, на его выходе устанавливается напряжение высокого уровня Е (лог1). И наоборот, при высоком уровне входного напряжения (уровне лог.1) транзистр насыщен, на его выходе устанавливается напряжение, близкое к нулю (уровня лог.0). Графики входных и выходных напряжений представлены на рис. 2.6,б.

Интегральные логические элементы базиса И-НЕ и их параметры.

Интегральные логические элементы используются при потенциальной форме представления логических величин.

Схема интегрального элемента И-НЕ типа ДТЛ показана на рис. 2.7. Элемент может быть разбит на две последовательно включенные функциональные части. Входные величины подаются на часть, представляющую собой диодный логический элемент И. Вторая часть элемента, выполненная на транзисторе, представляет собой инвертор (выполняющий операцию НЕ). Таким образом, в элементе последовательно выполняются логические операции И и НЕ и, следовательно, в целом он реализует логическую операцию И-НЕ.

Если на всех входах элемента действует напряжение высокого уровня (лог.1), то на выходе первой части схемы (в точке А) образуется напряжение высокого уровня. Это напряжение через диоды VD пердаются на вход транзистора, который оказывается в режиме насыщения, на выходе элемента напряжение низкого уровня (лог.0).

рис. 2.7.

Если же хотя бы на одном из входов будут действовать напряжение низкого уровня (лог.0), то в точке А образуется напряжение низкого уровня (близкого к нулю), транзистор закрыт и на выходе элемента напряжение высокого уровня (лог.1). Работа диодного элемента И в интегральном исполнении отличается от работы рассмотренного выше такого же элемента на дискретных компонентах тем, что при одновременной подаче лог.1 на все входы - все диоды оказываются закрытыми. Благодаря этому уменьшается до весьма малого значения потребление тока от источника, подающего на вход напряжение лог.1.

Рассмотрим подробнее работу инверторной части элемента. Вначале отметим некоторые особенности транзисторов интегральных микросхем. В микросхемах используются кремниевые транзисторы типа n-p-n (при этом напряжение коллекторного питания имеет положительную полярность и транзистор открывается при положительном напряжении между базой и эммитером). На рис. 2.8 показана типичная зависимость тока коллектора от напряжения между базой и эммитером в активном режиме. Особенность этой характеристики в том, что практически транзистор начинает открываться при относительно высоких значениях базового напряжения (обычно превышающих 0,6 В). Эта особенность позволяет обходиться без источников базового смещения, так как и при положительных напряжениях на базе в десятые доли вольта транзистор оказывается практически закрытым. Наконец, еще одна особенность транзистора микросхем состоит в том, что напряжение между коллектором и эммитером в режиме насыщения сравнительно высоко (оно может быть 0,4 В и выше).

рис. 2.8.

Пусть сигналы на входы логического элемента подаются с выходов аналогичных элементов. Примем напряжение лог.1 равным 2,6 В, напряжение лог.0 равным 0,6 В, напряжения на открытых диодах и напряжение база - эмиттер насыщенного транзистора равными 0,8 В.

При подаче на все входы (см. рис. 2.7) напряжения 2,6 В (уровень лог.1) закрываются диоды на входах, ток от источника Е 1 через резистор R 1 , диоды VD проходит в базу транзистора, устанавливая транзистор в режим насыщения. На выходе элемента образуется напряжение низкого уровня 0,6 В (уровень лог.0). Напряжение U А равно сумме напряжений на диодах VD и напряжения U БЭ: 3·0,8 = 2,4 В. Таким образом, входные диоды оказываются под обратным напряжением 0,2 В.

Если хотя бы на один из входов подается напряжение низкого уровня 0,6 В (уровень лог.0), то ток от источника Е 1 замыкается через резистор R 1 , открытый входной диод и источник входного сигнала. При этом U А = 0,8 + 0,6 = 1,4 В. При таком напряжении транзистор оказывается закрытым благодаря смещению, обеспечиваемому диодами VD (эти диоды называются смещающими диодами ). Ток от источника Е 1 , протекая через резистор R 1 , диоды VD и резистор R 2 , создает на смещающих диодах падение напряжения, близкое к U А. Напряжение U БЭ положительно, но значительно меньше 0,6 В, и транзистор закрыт.

Элемент И-НЕ диодно-транзисторной логики (ДТЛ)

Основная схема элемента, приведенная на рис.2.9, как и рассмотренная выше схема элемента ДТЛ, состоит из двух последовательно включенных функциональных частей: схемы, выполняющей операцию И, и схемы инвертора. Отличительная особенность построения схемы И в элементе ТТЛ состоит в том, что в ней использован один многоэмиттерный транзистор МТ, заменяющий группу входных диодов схемы ДТЛ. Эмиттерные переходы МТ выполняют роль входных диодов, а коллекторный переход - роль смещающего диода в цепи базы транзистора инвертирующей части схемы элемента.

При рассмотрении принципа работы МТ его можно представить сотоящим из отдельных тарнзисторов с объединеными базами и коллекторами, как показано на рис.2.9,б.

рис. 2.9

Пусть на все входы элемента подано напряжение уровня лог.1 (3,2 В). Возможное при этом распределение потенциалов в отдельных точках схемы приведено на рис.2.10,а. Эмиттерные переходы МТ оказываются смещенными в обратном направлении (потенциалы эмиттеров выше потенциалов базы), коллекторный переход МТ, наоборот, смещен в прямом направлении (потенциал коллектора ниже потенциала базы). Таким образом, МТ можно представить транзисторами, работающими в активном режиме с инверсным включением (в таком включении эмиттер и коллектор меняются ролями). Многоэмиттерный транзистор выполняется таким образом, чтобы его коэффициент усиления в инверсном включении был много меньше единицы. Поэтому эмитторы отбирают от источников входных сигналов малый ток (в отличии от элементов ДТЛ, где этот ток через закрытые входные диоды практически равен нулю). Базовый ток МТ через коллекторный переход втекает в базу транзистора VT, удерживая последний в режиме насыщения. На выходе устанавливается напряжение низкого уровня (лог.0).

рис. 2.10.

Рассмотрим другое сотояние схемы. Пусть хотя бы на одном из входов действует напряжение уровня лог.0. Возникающее при этом распределение потенциалов показано на рис.2.10,б. Потенциал базы МТ выше потенциала эмиттера и коллектора. Следовательно, оба перехода, эмиттерный и коллекторный, смещены в прямом направлении и МТ находится в режиме насыщения. Весь базовый ток МТ замыкается через эмиттерные переходы. Напряжение между эмиттером и коллектором близко к нулю, и действующий на эмиттере низкий уровень напряжения через МТ передается на базу транзистора VT. Транзистор VT закрыт, на выходе высокий уровень напряжения (уровень лог.1). При этом практически весь базовый ток МТ замыкается через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход МТ.

Основные параметры интегральных логических элементов

Рассмотрим основные параметры и способы их улучшения.

Коэффициент объединения по входу определяет число входов элемента, предназначенных для подачи логических переменных. Элемент с большим коэффициентом объединения по входу имеет более широкие логические возможности.

Нагрузочная способность (или коэффициент разветвления по выходу ) определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу данного элемента. Чем выше нагрузочная способность элементов, тем меньше число элементов может потребоваться при построении цифрового устройства.

Для повышения нагрузочной способности в ДТЛ и ТТЛ применяют усложненную схему инвертирующей части. Схема элемента с одним из вариантов сложного инвертора приведена на рис.2.11.

рис. 2.11

Рисунок 2.11,а иллюстрирует режим включенного элемента. Если на всех входах действует напряжение уровня лог.1, весь текущий через резистр R1 ток подается в базу транзистора VT2. Транзистор VT2 открывается и переходит в режим насыщения. Эмиттерный ток транзистора VT2 втекает в базу транзистора VT5, удерживая этот транзистор в открытом состоянии. Транзисторы VT3 и VT4 закрываются, так как при эмиттерном переходе каждого из них действует напряжение 0,3В, недостаточное для открывания тарнзисторов.

На рис. 2.11,б показан режим выключенного элемента. Если хотя бы на одном из входов действует напряжение уровня лог.0, то ток резистора R1 полностью переключается во входную цепь. Транзисторы VT2 и VT5 закрываются, на выходе напряжение уровня лог.1. Транзисторы VT3, VT4 работают в двух последовательно включенных эмиттерных повторителях, на вход которых подается ток через резистор R2, а эмиттерный ток транзитсора VT4 питает нагрузку.

В выключенном состоянии элемента с простым инвертором ток в нагрузку подается от источника питания через коллекторный резистор Rк с большим сопротивлением (см. рис. 2.11,б). Этот резистор ограничивает максимальное значение тока в нагрузке (с ростом тока нагрузки увеличивается падение напряжения на Rк, уменьшается напряжение на выходе). В элементе со сложным инвертором в нагрузку подается эмиттерный ток транзистора VT4, работающего в схеме эмиттерного повторителя. Так как выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало, то выходное напряжение равно слабее зависти от тока нагрузки и допустимы большие значения нагрузочного тока.

Быстродействие логических элементов является одним из важнейших параметров логических элементов, оно оценивается задержкой распространения сигнала от входа к выходу элемента.

На рис.2.12 приведена форма входного и выходного сигналов логического элемента (инвертора): t 1,0 3 - время задержки переключения выхода элемента из состояния 1 в сотояние 0; t 0,1 3 - задержка переключения из состояния 0 в состояние 1. Как видно из рисунка, время задержки измеряется на уровне, среднем между уровнями лог.0 и лог.1. Средняя задержка распространения сигнала t з ср = 0,5 (t 0,1 3 + t 1,0 3). Этот параметр используется пр расчете задаержкит распространения сигналов в сложных логических скхемах.

рис. 2.12

Рассмотрим факторы, влияющие на быстродействие логического элемента, и методы повышения быстродействия.

Для повышения скорости переключения транзисторов в элементе необходимо использовать более высокочастотные тарнзисторы и перключение транзисторов производить большими управляющими токами в цепи базы; существенное уменьшение времени задержки достигается благодаря использованию насыщенного режима работы транзитсоров (в этом случае исключается время, необходимое на рассасывание неосновных носителей в базе при выключении транзисторов).

рис. 2.13

Этот процесс можно ускорить следующими приемами:

· уменьшением R (и следовательно уменьшением постоянной времени ); однако при этом растут потребляемые от источника питания ток и мощность;

· использование в элементе малых перепадов напряжения;

· применение на выходе элемента эмиттерного повторителя, уменьшающего влияние емкости нагрузки.

Ниже при описании логических элементов эмиттерно-связаной логики показано использование этих методов для повышения бысеродействия элементов.

рис. 2.13

Помехоустойчивость определяется максимальным значением помехи, не вызывающей нарушения работы элемента.

Для количественной оценки помехоустойчивости воспользуемся так называемой передаточной характеристикой логического элемента (инвертора). На рисунке 2.14 приведена типичная форма этой характеристики.

рис. 2.14

Передаточная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения от входного. Для ее получения необходимо соединить все входы логического элемента и, изменяя напряжение на выходе, отмечать соответствующие значения напряжения на выходе.

При увеличении входного напряжения от нуля до порогового уровня лог.0 U 0 п напряжение на выходе уменьшается от уровня лог.1 U 1 min . Дальнейшее увеличение входного приводит к резкому снижению выходного. При больших значениях входного напряжения, превышающих пороговый уровень лог.1 U 0 max . Таким образом, при нормальной работе элемента в статическом (установившемся) режиме недопустимы входные напряжения U 0 п < u вх

Допустимыми считаются такие помехи, которые, наложившись на входное напряжение, не выведут его в область недопустимых значений U 0 п < u вх

Логический элемент эмиттерно-связанной логики

Типовая схема интегрального элемента эмиттерно-связанной логики приведена на рис. 2.15.

рис. 2.15.

Транзисторы VT 0 , VT 1 , VT 2 , VT 3 работают в схеме переключателя тока, транзисторы VT 4 , VT 5 - в выходных эмиттерных повторителях. На схеме показаны значения потенциалов в различных точках при подаче на вход напряжения уровня лог.1; в скобки заключены значения потенциалов тех же точек для случая, когда на все входы элемента подано напряжения уровня лог.0. Значения этих потенциалов соответствуют следующим уровням:

· напряжение источника питания E к = 5 В;

· уровень лог.1 U 1 = 4,3 В;

· уровень лог.1 U 0 = 3,5 В;

· напряжение между базой и эмиттером открытого транзистора U бэ = 0,7 В.

Рассмторим принцип работы интегрального логического элемента ЭСЛ (см. рис. 2.15).

Пусть на Вх 1 подается напряжение U 1 = 4,3 В. Транзистор VT 1 открыт; эмиттерный ток этого транзистора создает на резисторе R падение напряжения U а = U 1 -U бэ = 4,3 - 0,7 = 3,6 В; коллекторный ток создает на резисторе R к1 напряжение U Rк1 = 0,8 В; напряжение на коллекторе транзистора U б = E к - U Rк1 = 5 - 0,8 = 4,2 В.

Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT 0 U бэ VT0 = U - U а = 3,9 - 3,6 = 0,3 В; это напряжение недостаточно для открывания транзистора VT 0 . Таким образом, открытое состояние любого из транзисторов VT 1 , VT 2 , VT 3 приводит к закрытому состоянию транзистора VT 0 . Ток через резистор R к2 весьма мал (течет лишь базовый ток транзистора VT 5) и напряжение на коллекторе VT 0 .

Рассмотрим другое состояние логического элемента. Пусть на всех входах действует напряжение лог.0 U 0 = 3,5 В. При этом оказывается открытым транзистор VT 0 (из всех транзисторов, эмиттеры которых объеденины, открывается тот, на базе которого более высокое напряжение); U а = U - U бэ = 3,9 - 0,7 = 3,2 В; напряжение между базой и эмиттером транзисторов VT 1 , VT 2 , VT 3 равно U бэ VT1...VT0 = U 0 - U а = 3,5 - 0,7 = 0,3 В и эти транзисторы закрыты; U б = 5 В; U в = 4,2 В.

Напряжения от точек б и в передаются на выходы элемента через эмиттерные повоторители; при этом уровень напряжения снижается на значение U бэ = 0,7 В. Обратим внимание на то важное обстоятельство, что напряжения на выходах равны U 1 (4,3 В), либо U 0 (3,5 В).

Выясним, какая логическая функция формируется на выходах элемента.

В точке в и на Вых 2 образуется напряжение низкого уровня при открытом транзисторе VT 0 , т.е. в случае, когда х 1 = 0, х 2 = 0, х 3 = 0. При любой другой комбинации значений входных переменных транзистр VT 0 закрыт и на Вых 2 образуется напряжение высокого уровня. Из этого следует, что на Вых 2 формируется дизъюнкция переменных х 1 Vх 1 Vх 1 . На Вых 1 формируется функция ИЛИ-НЕ .

Следовательно, логический элемент выполняет операции ИЛИ-НЕ и ИЛИ.

В мткросхемах ЭСЛ точку г делают общей, а точку д подключают к источнику питания с напряжением -5В. В этом случае потенциалы всех точек схемы снижаются до 5 В.

Расмотренный логический элемент относится к классу наиболее быстродействующих элементов (малое время задержки распространения сигнала) обеспечивается следующими факторами: открытые транзисторы находятся в активном режиме (не в режиме насыщения); применение на выходах эмиттерных повторителей обеспечивает ускорение процесса перезаряда емкостей, подключенных к выходам; транзисторы включены по схеме включения с общей базой, что улучшает частотные свойства транзисторов и ускоряет процесс их переключения; выбран малым перепад логических уровней U 1 -U 0 = 0,8 В (однако это приводит к сравнительно низкой помехоустойчивости элемента).

Логические элементы на МДП-транзисторах

рис. 2.16

На рис. 2.16 показана схема логического элемента с индуцированным каналом типа n (так называемая n МДП - технология). Основные транзисторы VT 1 и VT 2 включены последовательно, транзистор VT 3 выполняет роль нагрузки. В случае, когда на обоих входах элемента действует высокое напряжение U 1 (х 1 =1, х 2 =1), оба транзистора VT 1 и VT 2 оказываются открытыми и на выходе устанавливается низкое напряжение U 0 . Во всех остальных случаях хотя бы один из транзисторов VT 1 или VT 2 закрыт и на выходе устанавливается напряжение U 1 . Таким образом, элемент выполняет логическую функцию И-НЕ.

рис. 2.17

На рис. 2.17 приведена схема элемента ИЛИ-НЕ. На его выходе устанавливается низкое напряжение U 0 , если хотя бы на одном из входов действует высокое напряжение U 1 , открывающее один из основных транзисторов VT 1 и VT 2 .

рис. 2.18

Приведенная на рис. 2.18 схема представляет собой схему элемента ИЛИ-НЕ КМДП-технологии. В ней транзисторы VT 1 и VT 2 - основные, транзисторы VT 3 и VT 4 - нагрузочные. Пусть высокое напряжение U 1 . При этом транзистор VT 2 открыт, транзистор VT 4 закрыт и независимо от уровня напряжения на другом входе и состояния остальных транзисторов на выходе устанавливается низкое напряжение U 0 . Элемент реализует логическую операцию ИЛИ-НЕ.

КМПД-схема характеризуется весьма малым потребляемым током (а следовательно, и мощности) от источников питания.

Логические элементы интегральной инжекционной логики

рис. 2.19

На рис. 2.19 показана топология логического элемента интегральной инжекционной логики (И 2 Л). Для создания такой структуры требуются две фазы диффузии в кремнии с проводимостью n-типа: в процессе первой фазы образуются области p 1 и p 2 , второй фазы - области n 2 .

Элемент имеет структуру p 1 -n 1 -p 2 -n 1 . Такую четырехслойную структуру удобно рассматривать, представив ее соединением двух обычных трехслойных транзисторных структур:

p 1 - n 1 - p 2 n 1 - p 2 - n 1

Соответствующая такому представлению схема показана на рис.2.20,а. Рассмотрим работу элемента по это схеме.

рис. 2.20

Транзистор VT 2 со структурой типа n 1 -p 2 -n 1 выполняет функции инвертора, имеющего несколько выходов (каждый коллектор образует отдельный выход элемента по схеме с открытым коллектором).

Транзистор VT 2 , называемый инжектором , имеет структуру типа p 1 -n 1 -p 2 . Так как область n 1 у этих транзисторов общая, эмиттер транзистора VT 2 должен быть соединен с базой транзистора VT 1 ; наличие общей области p 2 приводит к необходимости соединения базы транзистора VT 2 с коллектором транзистора VT 1 . Так образуется соединение транзисторов VT 1 и VT 2 , показанное на рис.2.20,а.

Так как на эмиттере транзистора VT 1 действует положительный потенциал, а база находится под нулевым потенциалом, эмиттерный переход оказывается смещенным в прямом направлении и транзистор открыт.

Коллекторный ток этого транзистора может замкнуться либо через транзистор VT 3 (инвертор предыдущего элемента), либо через эмиттерный переход транзистора VT 2 .

Если предыдущий логический элемент находится в открытом состоянии (открыт транзистор VT 3), то на входе данного элемента низкий уровень напряжения, который действуя на базе VT 2 , удерживает этот транзистор в закрытом состоянии. Ток инжектора VT 1 замыкается через транзистор VT 3. При закрытом состоянии предыдущего логического элемента (закрыт транзисторVT 3) коллекторный ток инжектора VT 1 втекает в базу транзистора VT 2 , и этот транзистор устанавливается в открытое состояние.

Таким образом, при закрытом VT 3 транзистор VT 2 открыт и, наоборот, при открытом VT 3 транзистор VT 2 закрыт. Открытое состояние элемента соответствует состоянию лог.0, закрытое - сотсоянию лог.1.

Инжектор явялется источником постоянного тока (который может быть общим для группы элементов). Часто пользуются условным графическим обозначением элемента, представленным на рис. 2.21,б.

На рис. 2.21,а показана схема, реализующая операцию ИЛИ-НЕ. Соединение коллекторов элементов соответствует выполнению операции так называемого монтажного И . Действительно, достаточно, чтобы хотя бы один из элементов находился в открытом состоянии (состоянии лог.0), тогда ток инжектора следующего элемента будет замыкаться через открытый инвертор и на на объединенном выходе элементов установится низкий уровень лог.0. Следовательно, на этом выходе формируется величина, соответствующая логическому выражению х 1 ·х 2 . Применение к нему преобразования де Моргана приводит к выражению х 1 ·х 2 = . Следовательно, данное соединение элементов действительно реализует операцию ИЛИ-НЕ.

рис. 2.21

Логические элементы И 2 Л имеют следующие достоинства:

· обеспечивают высокую степень интеграции; при изготовлении схем И 2 Л используются те же технологические процессы, что и при производстве интегральных схем на биполярных транзисторах, но оказывается меньшим число технологических операций и необходимых фотошаблонов;

· используется пониженное напряжение (около 1В);

· обеспечивают возможность обмена в широких пределах мощности на быстродействие (можно изменять на несколько порядков потребляемую мощность, что соответственно приведет к изменению быстродействия);

· хорошо согласуются с элементами ТТЛ.

На рис. 2.21,б показана схема перехода от элементов И 2 Л к элементу ТТЛ.

Логический элемент Исключающее ИЛИ

Применение элементов «Исключающее ИЛИ»

На практике наиболее часто используют двухвходовые элементы «исключающее ИЛИ. На рис. 1 показано условное графическое обозначение элемента без инверсии и его таблица состояний. По простому, суть данного элемента сводится к следующему, сигнал на выходе появляется только в том случае, когда логические уровни на входах не одинаковые.

Схема выделения фронта и среза импульса

В данной схеме три элемента «Исключающий ИЛИ» используются для задержки импульсов. DD1.4 — суммирующий. Выходные импульсы имеют стабильные фронты и срезы. Длительность каждого выходного импульса равна утроенному времени задержки переключения каждого из трех элементов. Временной промежуток между фронтами выходных импульсов равен длительности входного импульса. Так же это устройство удваивает частоту входного сигнала.

Есть еще одно интересное свойство «Исключающее ИЛИ». Если на один из входов подать постоянный «0», то сигнал на выходе элемента будет повторять входной сигнал, а если постоянный «0» поменять на постоянную «1», то выходной сигнал уже будет инверсией входного.

Иногда появляется необходимость получить элемент «исключающее ИЛИ» из отдельных стандартных логических элементов. Примером может служить схема элемента «исключающее ИЛИ» реализованная на четырех элементах 2-И-НЕ. На рисунке 3 показана схема «исключающее ИЛИ» в четырех ее состояниях. Здесь показаны все возможные логические уровни на каждом из используемых логически элементов 2-И-НЕ.

Такие элементы входят в схему . В данной схеме элемент «Исключающий ИЛИ» выполнен на четырех элементах 2-И-НЕ, входящих в один корпус микросхемы К561ЛА7.

Формирователь дискретного сигнала с разностной частотой

Схема формирователя показана на рисунке 4. Здесь логический элемент «исключающее ИЛИ» также реализован на четырех элементах 2-И-НЕ.

На входы 1 и 2 формирователя падают импульсы прямоугольной формы (см. графики 1 и 2), которые различаются частотой следования. Узел на логических элементах DD1.1-DDI.4 перемножает эти сигналы. Выходной импульсный сигнал (график 3) с элемента DD1.4 подается на интегрирующую цепь R3, С1, преобразующую его в сигнал треугольной формы (график 4) с частотой, равной разности частот входных сигналов, а ОУ DA1 преобразует полученный сигнал в меандр (см. график 5). Резистором R1 регулируют длительность положительной и отрицательной полуволн выходного сигнала. Очень интересная схема. Радиоконструктору, есть над чем подумать. Например, сигнал, показанный на третьем графике, является сигналом ШИМ синусоиды.
Конечно диапазон использования элементов «исключающее ИЛИ» намного шире. Я привел здесь на мой взгляд более интересные для радиолюбителей.

Используемая литература:
Б.И. Горшков Элементы радиоэлектронных устройств Издательство «Радио и связь»
Цифровые интегральные схемы М.И. Богданович Справочник Минск «Беларусь»-«Полымя» 1996

Для выполнения логических операций и решать логические задачи с помощью средств электроники были изобретены логические элементы. Их создают с помощью диодов, транзисторов и комбинированных элементов (диодно-транзисторные). Такая логика получила название диодной логики (ДЛ), транзисторной (ТЛ) и диодно–транзисторной (ДТЛ). Используют как полевые, так и биполярные транзисторы. В последнем случае предпочтение отдается устройствам типа n-p-n, так как они обладают большим быстродействием.

Логический элемент «ИЛИ»

Схема логического элемента «ИЛИ» представлена на рисунке 1 а. На каждый из входов может подаваться сигнал в виде какого-то напряжения (единица) или его отсутствия (ноль). На резисторе R появиться напряжение даже при его появлении на каком – либо из диодов.

Рис. 1

Элементы или могут иметь несколько логических входов. Если используются не все входы, то те входы которые не используются следует соединять с землей (заземлять), чтобы избежать появления посторонних сигналов.

На рисунке 1б показано обозначение на электрической схеме элемента, а на 1в таблица истинности.

Логический элемент «И»

Схема элемента приведена на рис. 2. Если хотя – бы к одному из входов будет сигнал равный нулю, то через диод будет протекать ток. Падение напряжения на диоде стремится к нулю, соответственно на выходе тоже будет ноль. На выходе сможет появится сигнал только при условии, что все диоды будут закрыты, то есть на всех входах будет сигнал. Рассчитаем уровень сигнала на выходе устройства:

Рис.2

на рис. 2 б – обозначение на схеме, в – таблица истинности.

Логический элемент «НЕ»

В логическом элементе «НЕ» используют транзистор (рис.3 а). при наличии положительного напряжения на входе х=1 транзистор открывается и напряжение его коллектора стремится к нулю. Если х=0 то положительного сигнала на базе нет, транзистор закрыт, ток не проходит через коллектор и на резисторе R нет падения напряжения, соответственно на коллекторе появится сигнал Е. условное обозначение и таблица истинности приведены на рис. 3 б,в.

Рис.3

Логический элемент «ИЛИ-НЕ»

При создании различных схем на логических элементах часто применяют элементы комбинированные. В таких элементах совмещены несколько функций. Принципиальная схема показана на рис. 4 а.

Здесь диоды Д1 и Д2 выполняют роль элемента «ИЛИ», а транзистор играет роль инвертора. Обозначение элемента на схеме и его таблица истинности рис. 4б и в соответственно.

Логический элемент «И-НЕ»

Показана схема на рис. 5 а. Здесь диод Д3 выполняет роль так сказать фильтра во избежание искажения сигнала. Если на вход х1 или х2 не подан сигнал (х1=0 или х2=0), то через диод Д1 или Д2 будет протекать ток. Падение на нем не равно нулю и может оказаться достаточным для открытия транзистора. Последствием чего может стать ложное срабатывание и на выходе вместо единицы мы получим ноль. А если в цепь включить Д3, то на нем упадет значительная часть напряжения открытого на входе диода, и на базу транзистора практически ничего не приходит. Поэтому он будет закрыт, а на выходе будет единица, что и требуется при наличии нуля на каком либо из входов. На рис. 5б и в показаны таблица истинности и схемное обозначение данного устройства.

Логические элементы это элементарные цифровые устройства, используемые для обработки информации в цифровой последовательности сигналов высокого - «1» и низкого - «0» уровней, выполняющие логические операции И, ИЛИ, НЕ и различные комбинации этих операций

Первым и самым простым логическим элементом является инвертор, выполняющий логическую операцию НЕ - инверсию или логическое отрицание. На вход подается один сигнал, на выходе противоположный. На вход подается - "0", на выходе - "1" или на вход поступает "1", а на выходе "0".

Так как вход у элемента НЕ только один, то его таблица истинности состоит всего из двух строк.

В роли инвертора можно применять обычный транзисторный усилитель включенный по схеме с общим эмиттером или истоком. Пример такого подключения на биполярном n-p-n транзисторе, показан на рисунке ниже.

В зависимости от схемотехнического исполнения инвертор может обладать различным временем передачи сигнала и может работать на различную нагрузку. Он может быть собран на одном или на нескольких транзисторах, но независимо от схемы все инверторы осуществляют одну и ту же функцию. Поэтому, чтобы особенности включения транзисторов не затеняли выполняемую функцию, используются специальные обозначения для цифровых микросхем. Условно-графическое обозначение инвертора приведено на рисунке.

Инверторы имеются во всех сериях цифровых микросхем. В отечественных микросборках инверторы обозначаются буквами ЛН. Например, 1533ЛН1 содержится целых шесть инверторов. Зарубежные микросборки используют цифровое обозначение, например 74ALS04

Реализует операцию "И" - логическое умножение. В самом простом варианте на его вход подается два сигнала, на выходе получаем один сигнал. Если подается два нуля на выходе - ноль, две единицы - на выходе единица. Если на один вход поступает "1", а на другой ноль, то на выходе "0". Смотри рисунок с таблицей истинности для элемента И и его условно графическое изображение

Проще всего разобраться в работе логического элемента "И", при помощи упрощенной схемы, собранной на идеальных ключах с электронным управлением. В ней ток будет идти только тогда, когда оба ключа замкнуты, и поэтому, единичный сигнал на выходе будет только при обоих логических единицах на входе.

Третий основной логический элемент - это дизюнктор, выполняющий операцию ИЛИ - логическое сложение. Графическое изображение дизъюнктора показано в видеозаставке, чуть ниже.

Для наглядности представления представим Дизъюнктор "ИЛИ" в виде ключей. Но на этот раз соединим их параллельно. Как видно из рисунка ниже, уровень логической единицы установится на выходе, как только замкнется любой из ключей, подробней смотри в таблице истинности.

Рассмотрим реальный логический элементо на примере микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серии К155 с низкой степенью интеграции. На рисунке ниже, устаревшая, но все еще популярная микросборка К155ЛА3, содержащая четыре элемента 2И – НЕ. Кстати, с помощью ее можно собрать кучу .

По сути это уже знакомое нам изображение двух объединённых частей: элемента "2И" и "НЕ" на выходе. Таблица истинности для 2И-НЕ представлена ниже:

В результате на входе мы видим, что благодаря инвертору получается картина противоположная элементу «И». В отличие от трёх "0" и одной "1" мы видим три "1" и всего один ноль. Компонент цифровой логики «И – НЕ» часто называют элементом Шеффера.

Логический элемент 2ИЛИ – НЕ (а точнее целых четыре) имеется в микросборке К155ЛЕ1. Таблица истинности так же отличается от компонента "ИЛИ" инвертированием выходного сигнала.

На практике используются также двухвходовые элементы «исключающее ИЛИ. На рисунке ниже показано условное графическое обозначение элемента без инверсии и его таблица состояний. Главная функция данного компонента сводится к следующему, сигнал на выходе появится только тогда, если логические уровни на входах разные.

Рассмотрим практический пример «Исключающего ИЛИ» в схеме выделения фронта и среза импульса. В этой конструкции три компонента «Исключающий ИЛИ» применяются для задержки импульсов. DD1.4 - суммирующий. Выходные импульсы обладают стабильными фронтами и срезами. Длительность каждого выходного импульса равна утроенному времени задержки переключения каждого из 3-х компонентов. Временной интервал между фронтами выходных импульсов приблизительно равен длительности входного импульса. Кроме того, схема удваивает частоту входного сигнала.

Есть еще одно интересная функция «Исключающего ИЛИ». Если на один из входов подать постоянный «0», то сигнал на выходе компонента повторит входной сигнал, а если постоянный «0» поменять на постоянную «1», то выходной сигнал уже будет представлен инверсией входного.

Вот, реальный пример, отечественная микросборка К555ЛР4. Ее можно представить как 2-4И-2ИЛИ-НЕ:

Ее таблицу истинности не рассматриваем, так как цифровая микросборка не является базовым логическим элементом. Такие микросхемы часто выполняют специальные функции и бывают куда сложнее, чем рассмотренный пример.