Логические элементы и их электронные аналоги

Логический  элемент НЕ. 

       Это операция применяется в случаях, когда требуется иметь противоположные  значения переменной. Противоположное  значение переменной называется дополнением  этой переменной Символически для НЕ оно обозначается чертой над соответствующей переменной величиной: А=Q.  
 
 
 
 

       В простейшем случае элемент НЕ инвертор - может быть выполнен на биполярном (или полевом) транзисторе с общим эмиттером (рис. 7, а). Когда на входе А действует сигнал 0, транзистор VT тока" не проводит и напряжение на выходе Q максимально, практически равно напряжению источника питания и соответствует сигналу 1. Если на входе действует положительное напряжение, соответствующее сигналу 1, транзистор VT (n - p - n-типа) отпирается, переходит в режим насыщения и напряжение на выходе Q снижается до уровня 0,1—0,3 В, соответствующее сигналу 0. Таким образом, схема инвертирует входной сигнал. У рассмотренной схемы НЕ много недостатков: малы быстродействие и нагрузочная способность и весьма низка помехоустойчивость. Поэтому на практике используют более сложные схемы. В частности, на рис. 7, б приведена схема инвертора семейства ТТЛ на основе многоэмиттерного транзистора VT1. При напряжении логического 0 на входе А создаются условия для протекания тока в транзисторе VT1 только в цепи перехода эмиттер-база (на рис. 7, б указаны два параллельно соединенных эмиттера, работающих как один), а переход коллектор-база закрыт, вследствие чего нет тока в цепи базы транзистора VT2 и он заперт. При этом на его коллекторе имеется напряжение, близкое к напряжению источника питания. Это напряжение действует на базу транзистора VT3, что приводит к его полному отпиранию. В то же время транзистор VT4 заперт, поскольку на его базу не подается никакого напряжения, так как транзистор VT2 закрыт, ток через него не проходит и на резисторе R2 нет напряжения (которое могло бы открыть транзистор VT4). Таким образом, поскольку транзистор VT3 открыт, а VT4 закрыт, на выходе Q действует положительное напряжение, близкое к напряжению источника питания, что соответствует логической 1. Если на вход А подается напряжение логической 1, то переход эмиттер - база транзистора VT1 запирается, но создаются условия для протекания тока через его переход коллектор - база и тем самым для протекания тока через базу транзистора VT2, что приводит к его отпиранию и переходу в режим насыщения. При этом транзистор VT3 запирается (так как на коллекторе VT2 действует слишком низкое напряжение), а транзистор VT4 отпирается, так как на его базу подается с резистора R2 напряжение в положительной полярности. Таким образом, через малое сопротивление открытого транзистора VT4 выход соединяется с общей шиной «землей» и напряжение на нем оказывается почти нулевым и схема работает как инвертор. Диод VD, включенный на вход А, защищает схему от перегрузки по входу.

      Существенно повысить быстродействие инвертора  и снизить расход энергии питания  позволяет применение диодов Шоттки, включаемых параллельно переходу коллектор - база биполярного транзистора (рис. 7, в). Такое соединение называется транзистором Шоттки и обозначается в электронных схемах, как показано на рис. 7, в. Среднее время задержки сигналов в логических элементах ТТЛШ порядка 1,5 нс при средней потребляемой мощности около 20 мВт на один логический элемент.

      Применение  МОП-транзисторов позволяет почти  в 10 раз увеличить число активных элементов на кристалле интегральной микросхемы и более чем в 10³ раз уменьшить потребление энергии питания по сравнению с биполярными транзисторами. Однако почти в 10—20 раз уменьшается быстродействие (в первую очередь, из-за больших емкостей на входе и выходе транзисторов и очень высоких входных сопротивлений).

       Инвертор на МОП-транзисторах с n-каналами может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 8, а. Транзистор VT1, на затвор которого подается напряжение в отпирающей полярности, выполняет роль резистора (сопротивление которого может быть сделано любым - в пределах от сотен омов до сотен кило-омов - в зависимости от технологии изготовления и напряжения на затворе). Если на входе А действует сигнал 0, то транзистор VT2 закрыт и напряжение на выходе Q практически равно напряжению источника питания, т. е. соответствует напряжению логической 1. Когда на вход А действует положительное напряжение, соответствующее напряжению логической 1, то транзистор VT2 открывается (его сопротивление при этом составляет всего 300 - 500 Ом) и напряжение на выходе Q становится весьма малым (десятые доли-единицы вольт), что соответствует логическому 0. Существенное повышение быстродействия (и снижение потребления энергии питания) достигается при использовании комплиментарной пары КМОП-транзисторов.

       Схема КМОП-инвертора приведена  на рис. 8, б. Если на входе А схемы действует напряжение логического нуля, то транзистор VT1, имеющий р-канал, полностью открыт, поскольку его затвор при этом соединен с общим проводом и поэтому на него подается напряжение в отпирающей полярности относительно истока, соединенного с плюсом источника питания. Транзистор VT2 имеющий n-канал, заперт, вследствие чего напряжение на выходе Q максимально и соответствует напряжению логической 1. Когда на вход А подается положительное напряжение логической 1, то транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 полностью отпирается, вследствие чего напряжение на входе Q становится нулевым. Быстродействие этой схемы по сравнению с предыдущей существенно увеличивается благодаря тому, что заряд-перезаряд паразитных емкостей происходит через весьма малые сопротивления полностью открытых транзисторов VT1 и VT2. Потребление энергии питания снижается до уровня десятых долей микроватта на один элемент потому, что схема потребляет ток, в сущности, только во время переключения, когда один транзистор открывается, другой закрывается. В остальное время — при 0 или 1 — всегда один из транзисторов закрыт и ток от источника питания не потребляется.

   Рис. 7. Логический элемент НЕ, выполненный на обычном биполярном транзисторе (а); многоэмиттерном   транзисторе с дополнительным усилителем (б); Транзистор Шоттки и его условное графическое изображение в электронных схемах (в). 

   Рис. 8. Логический элемент НЕ, выполненный на МОП-транзисторах с n-каналом (а), комплиментарной паре МОП-транзисторов с n- и р-каналами (б). 
 

Логический  элемент И –  НЕ. 

      Более универсален элемент И-НЕ, позволяющий одновременно с операцией  логического умножения выполнить  и отрицание, тем более что  в большинстве случаев это  не усложняет схемы. Например, на рис. 9, а приведен МОП-вариант схемы логического элемента И-НЕ. Транзистор VT1 используется вместо сопротивления нагрузки и постоянно открыт, ибо на его затвор подается напряжение в отпирающей полярности. Если на затворы транзисторов VT2 и VT3 поданы напряжения логического 0, то они заперты, тока не проводят и на выходе Q действует почти полное напряжение питания, т. е. напряжение логической 1. Если подается напряжение логической 1 только на один из входов А или В, то состояние схемы не изменяется и напряжение на выходе остается неизменным. Однако, если на оба входа действуют напряжения логических 1, то оба транзистора VT2 и VT3 отпираются, их внутреннее сопротивление уменьшается (до 500 - 1000 Ом) и напряжение на выходе Q также становится весьма малым, т. е. на выходе действует логический 0 - в полном соответствии с таблицей истинности И-НЕ (табл. 4.). 

      Недостаток схемы - при подаче на входы A и В одновременно напряжений логических 1 схема потребляет ток от источника питания. Если же элемент И-НЕ выполнен на КМОП-транзисторах, то этого не происходит. В частности, на рис. 9, б дается схема подобного элемента. Транзисторы VT1 и VT2 имеют р-каналы, вследствие чего, когда на их затворах (входах A, В) действуют сигналы логических 0, они полностью открыты и на выходе Q имеется положительное напряжение логической 1. При этом транзисторы VT3 и VT4 полностью заперты, ибо имеют n-каналы. Когда на оба входа A, В одновременно действуют положительные напряжения логических 1, транзисторы VT1 и VT2 запираются и напряжение с выхода Q снимается. При этом транзисторы VT3 и VT4 отпираются и выход оказывается соединенным с общим проводом через малое сопротивление (500 - 1000 Ом). Если на одном из входов действует напряжение логического 0, а на другом -  напряжение логической 1, то один из транзисторов с р - каналом (VT1 или VT2) запирается, но другой остается открытым, и поскольку они включены параллельно, на выходе остается напряжение логической 1. При этом один из транзисторов с n-каналом (VT3 или VT4) оказывается открытым; другой - закрытым, и, поскольку они включены последовательно, шунтирования выхода Q малым сопротивлением не происходит и напряжение на выходе оказывается высоким. Таким образом, сама схема тока не потребляет (разве что в те мгновения, когда происходит процесс ее переключения — но это, в среднем, доли микроватта). ТТЛ-вариант схемы логического элемента И-НЕ дан на рис. 5, в. Из рассмотрения рисунка вполне очевидно, что схема представляет собой стандартный элемент И (рис. 5, в), к которому добавлен выходной стандартный усилитель — от инвертора (см. рис. 7, б). Условные изображения логического элемента И-НЕ дана на рис. 9, г.

     Рис. 9. Логический элемент И-НЕ, выполненный на МОП-транзисторах с га-каналами (а), многоэмиттерном биполярном транзисторе и дополнительном усилителе (б), комплементарных МОП-транзисторах (в) и условные графические обозначения элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ в электронных схемах (г) 
 
 
 
 
 

Логические  элементы ИЛИ-НЕ.

      Изменив схему  логического элемента ИЛИ  на МОП-транзисторах возможно получить новый, более универсальный элемент ИЛИ-НЕ, осуществляющий одновременно с логическим сложением ИЛИ и логическое отрицание (инверсию) НЕ. Для этого активные элементы должны быть использованы не в режиме повторителей (как в схеме рис. 6, б), а в режиме усилителей-инверторов, что легко достигается перенесением общего сопротивления нагрузки из цепи истоков в цепь стоков. На рис. 10, а приведена такая схема логического элемента ИЛИ-НЕ. При сигналах логического 0 на входах А и В транзисторы VT2 и VT3 заперты, а поскольку транзистор VT1 постоянно открыт и играет роль сопротивления нагрузки, то на выходе Q действует положительное напряжение логической 1. Если на одном из входов А или В (или одновременно на двух) действует положительное, напряжение, соответствующее логической 1, то транзистор VT2 или VT3 или оба вместе оказываются открытыми и напряжение на выходе Q снижается до нескольких десятых долей-единиц вольт, т. е. до уровня напряжения логического 0.

    Рис. 10. Логические элементы ИЛИ-НЕ, выполненные на биполярных транзисторах (а), МОП-транзисторах с n-каналами (б), комплиментарных парах МОП-транзисторов (в). 

     Существенно снизить потребление энергии  питания и увеличить быстродействие позволяет использование КМОП-транзисторов. В частности, на рис. 10, б приведена схема такого вида. Транзисторы VT1 и VT2 имеют р-каналы и открываются, если на их затворы подается напряжение логического 0 (так как на их затворы, соединенные с плюсом источника питания, подается отрицательное напряжение в отпирающей полярности). При этом транзисторы VT3 и VT4, имеющие n-каналы, оказываются запертыми и напряжение на выходе Q близко к напряжению источника питания, т. е. к напряжению логической 1. Если хотя бы на одном из входов действует напряжение логической 1, то один из транзисторов VT1 или VT2 закрывается, а поскольку они соединены последовательно, схема отключается от источника питания и на выходе Q напряжение равно 0. В добавление к этому открывается один из транзисторов VT3 или VT4 (включенных параллельно) и выход соединяется с общим проводом через весьма малое сопротивление 100—300 Ом. Таким образом, элемент действует в полном соответствии с таблицей истинности ИЛИ-НЕ (табл. 5.). Следует отметить, что схема чрезвычайно экономична и потребляет ток только в очень краткие мгновения, во время переключения, когда одни транзисторы открываются, а другие еще не успели закрыться.

      ТТЛ-вариант конструктивного исполнения схемы ИЛИ-НЕ на биполярных транзисторах приведен на рис. 10, в. Из рассмотрения рисунка видно, что схема объединяет в себе двухвходовый элемент ИЛИ (рис. 6, а) и инвертор НЕ (см. рис. 7, б). Если на входах А и В действуют напряжения логических 0, то переходы база - эмиттер транзисторов VT1 и VT4 открыты и через них протекает ток, минуя переходы база - коллектор. Вследствие этого заперты суммирующие транзисторы VT2 и VT3. Поэтому на базу транзистора VT5 через резистор R4 подается напряжение питания, полностью его отпирающее, в результате чего на выход Q поступает положительное напряжение, соответствующее логической 1. Транзистор VT6, включенный параллельно выходу Q, при этом заперт и тока не проводит, ибо на его базу не подается напряжение (с резистора R2). Если хотя бы на одном из входов А или В действует напряжение логической 1, один из суммирующих транзисторов VT2 или VT3 отпирается, напряжение в точке соединения их коллекторов резко падает, что приводит к запиранию транзистора VT5 и на вход перестает поступать положительное напряжение. При этом оказывается открытым транзистор VT6 шунтирующий своим малым сопротивлением выход, поскольку на его базу начинает подаваться напряжение, снимаемое с резистора R2, включенного в цепь эмиттеров суммирующих транзисторов VT2, VT3 (один из которых проводит ток). Таким образом, схема работает в полном соответствии с табл. 5. Условное изображения логического элемента ИЛИ-НЕ дана на рис. 9, г.  

     В рассмотренных схемах логических элементов  для упрощения показывалось, как правило, лишь два входа. Это совсем не означает, что в реальных схемах их только два - их может быть значительно больше, до 8-10. И есть специальные устройства - расширители, которые позволяют увеличить число входов. Однако в случае необходимости можно увеличить число входов элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ способом наращивания, объединяя последовательно-параллельно несколько отдельных микросхем с меньшим числом входов. При этом может возникнуть проблема: что делать с оставшимися свободными входами? Если применены элементы И в ТТЛ-исполнении, то все свободные входы надо соединить вместе и подключить через резистор в 1 - 2 кОм к плюсу источника питания (+5 В). Свободные входы можно соединить с используемыми, но это не всегда желательно, ибо увеличивается нагрузка на источник сигнала. В МОП и КМОП-схемах И свободные входы можно соединять непосредственно с плюсом источника питания.

     Несколько сложнее наращивание в случае элементов ИЛИ-НЕ, И-НЕ, где приходится использовать дополнительные инверторы.