Логические элементы и цифровые устройства

Логические элементы

Логический элемент – это электронная схема, которая имеет один или больше входов X, реализующая на каждом выходе соответствующую логическую функцию Y от входных переменных. Логические элементы явля­ются важнейшей составной частью устройств цифровой (дискретной) обра­ботки информации – цифровых измерительных приборов, устройств автома­тики и ЭВМ. Логические элементы, как правило, выполняют на базе элек­тронных устройств, работающих в ключевом режиме. В связи с этим цифровая информация представляется в виде логической переменной, принимающей всего два различных значения: логическая 1 – истинно и логический 0 – ложно.

Логические преобразования включают в себя три основные элементарные операции. Тип операции и соответствующий ей логический элемент, а также правила выполнения логических операций над двоичными переменными пред­ставлены в таблице 16.1.

Таблица 16.1

Тип элемента	Логическая операция	Таблица истинности	Условное обозначение
ИЛИ	Логическое сложение (дизъюнкция)	Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
И	Логическое умноже­ние (конъюнкция)	Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
НЕ	Логическое отрица­ние (инверсия)	Х Y 0 1 1 0

Тип логических элементов определяется совокупностью схемных и тех­нологических признаков, характеризующих интегральные микросхемы логиче­ских элементов. Простейшие логические элементы И и ИЛИ могут быть реали­зованы на основе диодных ключей. Элемент НЕ обычно представляет собой транзисторный ключ с инвертирующими свойствами. Кроме рассмотренных основных логических элементов, используют комбинированные логические элементы, реализующие две (или более) логические операции, на­пример, элементы ИЛИ – НЕ, И – НЕ. Чтобы реализовать элемент И – НЕ, к ди­одному

Таблица 16.2

Тип логического элемента	Схема	Условное обозначение
Диодная логика
Резистивная транзисторная логика (РТЛ)
Диодно- транзисторная логика (ДТЛ)
Транзисторно- транзисторная логика (ТТЛ)
Логика на МДП-транзисторах с p- или n-каналом (p-МДПТЛ) (n-МДПТЛ)
Интегральная инжекционная логика (И2Л)

ключу добавляют инвертор на транзисторе. Такая схема называется диодно-транзисторной логикой (ДТЛ), а логический элемент – ДТЛ – элемен­том И – НЕ. Использование различных элементов в схемах существенно рас­ширяет ряд логических операций. Наиболее широко используемые схемы логи­ческих элементов представлены в таблице 16.2.

Наиболее сложные логические операции реализуют в виде комбина­торных или последовательных схем. Комбинаторные схемы (КС) собирают из отдельных ИМС логических элементов (малой степени интеграции) или изго­тавливают в виде ИМС среднего уровня интеграции. Они также могут входить в состав больших интегральных схем (БИС). На рис. 16.1 приведена комбина­-

а) б)

Рис. 16.1

ционная схема, реализующая логическую операцию «Исключительное ИЛИ» (неравнозначность), и ее условное обозначение.

Последовательная схема (конечный автомат) состоит из комбинационных схем и запоминающего устройства (ЗУ). Значения выходных сигналов таких схем определяется не только значением входных сигналов, но и состоянием запоминающего устройства в каждый момент времени.

Простейший конечный автомат – триггер (рис. 16.2), имеет один основ­ной выход Q и один или несколько управляющих входов (R, S) и может иметь дополнительный (инверсионный) выход .

Последовательная схема на основе триггеров, представляющая собой параллельный регистр (регистр памяти) и ее условные обозначения показаны на рис. 16.3.

Интегральные микросхемы, на которых выполняются логиче­ские элементы, должны удовле­творять ряду требований: по бы­стродействию (интервал времени между сменой состояний вход­ного и выходного сигналов); на­грузочной способности (число однотипных микросхем, подключенных к одному выходу); помехоустой­чивости (допустимый уровень напряжения помехи, не вызы­вающий ложного срабатывания); мощности рассеяния (мощность, потребляемая от источника питания).