Логические элементы, их основные характеристики и параметры. Типовые каскады логических схем. Логические схемы на n-канальных и комплементарных МДП-транзисторах, анализ их характеристик.
Логическими элементами (ЛЭ) называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции. Они обычно используются для построения сложных преобразователей цифровых сигналов комбинационного типа. В комбинационных устройствах отсутствует внутренняя память. Сигналы на их выходах в любой момент однозначно определяются сочетаниями сигналов на входах и не зависят от предыдущих состояний схемы. Характерной особенностью комбинационных устройств является отсутствие петель обратной связи.
Современные логические элементы выполняются в виде микросхем различной степени сложности.
Логические элементы дают возможность изображать логические переменные с помощью электрических сигналов (напряжения или тока). Обычно наличие сигнала соответствует цифре 1, а его отсутствие — 0.
Высказывания бывают простыми и сложными. Если значение истинности не зависит от других высказываний, оно называется простым. Если же значение истинности зависит от значений истинности составляющих его высказываний, то сложным.
Любую логически сложную функцию, отражающую сложное высказывание, можно реализовать используя три типа логических элементов: И, ИЛИ, НЕ.
Логический элемент И реализует операцию логического умножения (конъюнкции), смысл которого заключается в том, что сложное высказывание истинно только в том случае, если истинны все составляющие его простые высказывания. Этот элемент выполняют в виде устройства, имеющего несколько входов и один выход. Сигнал логической единицы появляется на выходе такой схемы только в том случае, если на все входы поданы сигналы, соответствующие единице. Поэтому логический элемент И часто называют схемой совпадений или конъюнктором.
Логический элемент ИЛИ реализует функцию логического сложения. При логическом сложении сложное высказывание истинно, если истинно хотя бы одно из составляющих его простых высказываний. Элемент, выполняющий функцию ИЛИ, имеет несколько входов и один выход. Сигнал логической единицы появляется на выходе такого устройства в том случае, если хотя бы на один из входов подана логическая единица. Эту операцию называют иногда дизъюнкцией или собиранием, а соответствующий элемент — дизъюнктором или собирательной схемой.
Логический элемент НЕ реализует функцию логического отрицания. Смысл отрицания заключается в том, что сложное высказывание истинно, когда определенное высказывание ложно, и соответственно ложно, если это высказывание истинно. Сигнал, соответствующий единице на выходе устройства, появляется тогда, когда на вход подан сигнал логического нуля. В соответствии с выполняемой операцией инверсии элемент НЕ иногда называют инвертором.
Инверсию логической суммы двух величин называют стрелкой Пирса, а логического произведения — штрихом Шеффера.
(а) логическая схема И; (б) логическая схема ИЛИ
Рисунок 1 – Названия сигналов и их алгебраические обозначения
Рисунок 2 – Название сигналов и алгебраическое изображение инверсии
Характеристики и параметры:
1. Коэффициент объединения по входу — это число входов микросхемы, с помощью которых реализуется логическая функция.
2. Коэффициент разветвления по выходу показывает, какое число логических входов устройств этой же серии может быть одновременно присоединено к выходу данного логического элемента.
3. Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигналов. Обычно различают время задержки распространения сигнала при включении логического элемента , время задержки распространения сигнала при выключении логического элемента и среднее время задержки распространения.
Под временем задержки распространения сигнала при включении логического элемента понимают интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе выходного напряжения от уровня логической единицы к уровню логического нуля, измеренный на уровне 0,5.
Временем задержки распространения сигнала при выключении считают интервал времени между входными и выходными импульсами при переходе выходного напряжения от уровня логического нуля к уровню логической единицы, измеренный на уровне 0,5.
Средним временем задержки распространения называют интервал времени, равный полусумме времен задержки распространения сигнала при включении и выключении логического элемента.
4. Напряжения высокого и низкого уровней (входные и выходные ) и их допустимая нестабильность. Под U и понимают номинальные значения напряжений микросхемы в статическом режиме (рис. 8.2, а, б, в). Нестабильность выражается в относительных единицах или процентах.
5. Пороговые напряжения высокого и низкого уровней (входные и выходные, под пороговым напряжением понимают наименьшее или наибольшее значения соответствующих уровней, при котором начинается переход логического элемента в другое состояние. Количественно оно характеризуется точкой на амплитудной характеристике ЛЭ, в которой модуль дифференциального коэффициента усиления микросхемы равен единице (рис. 8.2, а, б, в).
6. Входные токи при входных напряжениях низкого и высокого уровней.
7. Помехоустойчивость. Статическая помехоустойчивость оценивается как минимальная разность между значениями выходного и входного сигналов данного уровня:
Статическая помехоустойчивость — это минимальное значение напряжения помехи на выходе ЛЭ, которое может вызвать срабатывание подключенного к нему ЛЭ той же серии. При малых длительностях помехи, меньших или соизмеримых с , напряжение помехи может быть значительно больше, так как для измерения состояния ключей, входящих в состав ЛЭ, требуется не только амплитуда сигнала, но и определенный заряд. Он обеспечивает перезарядку конденсаторов и рассасывание накопленного избыточного заряда в базах ключей на биполярных транзисторах. Динамическая помехоустойчивость обычно задается в виде графика, связывающего допустимое напряжение помехи и ее длительность (рис. 8.2, г).
Из рис. 8.2, г видно, что при коротких импульсах помехи и их значение могут быть достаточно большими и даже превышающим (при положительной помехе) и (при отрицательной помехе).
8. Потребляемая мощность или ток потребления . Передаточные характеристики логического элемента, не инвертирующего и инвертирующего входные сигналы, показаны на рис. 8.2, а — в. У логических элементов одного и того же типа наблюдается разброс параметров, а изменения температуры окружающей среды приводят к изменению параметров элементов. Все это влечет за собой деформацию передаточных характеристик, которые показаны на рис. 8.2 в виде зон, в пределах которых находятся характеристики исправного элемента.
Для сравнения между собой микросхем отдельных серий используют интегральный параметр, называемый энергией переключения. Она находится как произведение потребляемой мощности и задержки распространения .
Работа, затрачиваемая на выполнение единичного переключения, называется энергией переключения. В литературе обычно приводится значение энергии переключения одного ЛЭ (одного инвертора) данной серии.
На рисунке 4 представлена логика на однотипных полевых транзисторах. Т3 является нагрузочным транзистором.
а - элемент ИЛИ-НЕ; б - элемент И-НЕ
Рисунок 4 - Элементы на логике МДП-транзисторов n-типа [1]
Особенностью этого ЛЭ является то, что нагрузкой ключа является МДП-транзистор, в схеме отсутствуют пассивные элементы. Входное сопротивление транзисторов очень велико - до 1012 Ом. На рисунке 10 приведены схемы ЛЭ КМДП-типа, реализующие логические функции 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ. ЛЭ КМДП-типа отличается минимальным потреблением в статическом режиме. Потребление резко растет при динамическом режиме. Уровень лог. 0 U0 = 0, а уровень лог.1 U1 = Uп. Логика на МДП-структурах обладает большой помехоустойчивостью. Также данные схемы могут работать в широком интервале напряжения питания.
В состав КМДП - элементов логики входят транзисторы разных проводимостей. Транзистор n-типа истоком подключается к общей шине, а транзистор p-типа к положительно шине.
а - элемент ИЛИ-НЕ; б - элемент И-НЕ
Рисунок 5 - Элементы на логике КМДП-транзисторов
Характеристики и параметры такие же.