Дискретная схемотехника

Логические элементы

Логические элементы предназначены для выполнения различных логических (функциональных) операций над дискретными сигналами при двоичном способе их представления. Преимущественное распространение получили логические элементы потенциального типа. В них используются дискретные сигналы, нулевому значению которых может соответствовать уровень низкого потенциала, а единичному значению – уровень высокого потенциала (отрицательного или положительного). Связь потенциального логического элемента с предыдущим и последующими узлами осуществляется непосредственно, без применения реактивных компонентов. Благодаря этому преимуществу именно потенциальные логические элементы нашли почти исключительное применение в интегральном исполнении в виде интегральных схем (ИС) [2].

Для упрощения уровень низкого потенциала сигнала полагаем равным нулю, а процесс перехода из одного состояния в другое – достаточно быстрым. Логические интегральные схемы являются элементами, на основе которых выполняются схемы цифровой техники.

Логический элемент ИЛИ: имеет несколько входов и один общий выход. Его условное обозначение показано на рисунке 2.1. Логический элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения (дизъюнкции): F = x₁ + x₂ + x₃ + ... + x_n , где F – функция; х₁, x₂, ... x_n – аргументы (переменные, двоичные сигналы на входах).

Рисунок 2.1 – Двухвходовый элемент ИЛИ

Здесь функция F = 0, когда все ее аргументы равны нулю, и F = 1 при одном, нескольких или всех аргументах, равных единице. Работу схемы двухвходового логического элемента ИЛИ иллюстрируют таблица истинности и временные диаграммы, приведенные на рисунке 2.1.

Логический элемент И: также имеет несколько входов и один выход. Его условное обозначение показано на рисунке 2.2. Логический элемент И выполняет операцию логического умножения (конъюнкции): F = x₁x₂x₃ ... x_n. Здесь функция F = 0, когда хотя бы один из ее аргументов равен нулю, и F = 1 при всех аргументах, равных единице. Работу схемы двухвходового логического элемента И иллюстрируют таблица истинности и временные диаграммы, приведенные на рисунке 2.2. Элемент И является схемой совпадения: сигнал«1»на выходе появляется при совпадении сигналов «1» на всех входах.

Рисунок 2.2 – Двухвходовый элемент И

Логический элемент НЕ: имеет один вход и один выход.Его условное обозначение показано на рисунке 2.3. ЭлементНЕвыполняет операцию инверсии (отрицания), в связи с чем его часто называют логическим инвертором. Им реализуется функция F = .

Рисунок 2.3 – Логический элемент НЕ

Логический элемент ИЛИ-НЕ. Его условное обозначение показано на рисунке 2.4. Он объединяет элементы ИЛИ и НЕ c очередностью проведения операций, показанной на рисунке. В связи с этим входным сигналам, равным единице, соответствует логический «0» на выходе, а при нулевых сигналах на всех входах F = 1. Для двухвходового элемента ИЛИ-НЕ указанное иллюстрирует таблица истинности, приведенная на рисунке 2.4. Функциональная операция, выполняемая элементом ИЛИ-НЕ при n входах, определяется выражением:

. (2.1)

Логический элемент И–НЕ. Его условное обозначение показанона рисунке 2.5. Логической «1» на всех информационных входах соответствует логический "0" на выходе элемента.

Рисунок 2.4 – Логический элемент 2ИЛИ-НЕ

При логическом «0» на одном из входов создается логическая «1» на выходе. Для двухвходового элемента И-НЕ сказанное отражено в таблице истинности. Логическая функция элемента И-НЕ при n входах отвечает выражению:

. (2.2)

Рисунок 2.5 – Логический элемент 2И-НЕ

Кроме того, элементы 2ИЛИ-НЕ и 2И-НЕ могут служить логическими ключами. При наличии информации на одном из входов этих элементов её появление на выходе (в инвертированном виде) возможно только при одном (разрешающем) состоянии второго входа этих элементов.

Комбинированные логические элементы. Существуют логические элементы в микросхемном исполнении, представляющие комбинацию ранее рассмотренных элементов и позволяющие осуществлять более сложные логические операции. Некоторые из таких элементов и реализуемые ими функции показаны на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Логические элементы 2-2И-ИЛИ-НЕ; 2-2И-ИЛИ

Параметры логических элементов. К основным параметрам логических элементов (логических микросхем) относятся: функциональные возможности элемента; быстродействие; потребляемая мощность; помехоустойчивость.

Функциональные возможности логического элемента определяются коэффициентом разветвления ппо выходу и коэффициентом объединения т по входу. Под коэффициентом разветвления nлогического элемента понимают количество входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к его выходу, а под коэффициентом объединения m – число входов, которое может иметь элемент.

Коэффициент n характеризует нагрузочную способность микросхем. Чем больше коэффициенты n и m, тем меньшее количество микросхем потребуется для создания конкретного устройства.

Быстродействие характеризует время реакции логического элемента на изменение сигналов на входах. Показателем быстродействия логических микросхем является среднее время задержки прохождения сигнала через элемент:

t_зс = (t_з⁺ + t_з^-)/2 , (2.3)

где t_з⁺ – задержка переключения из состояния «0» в состояние «1»; t_з^- – задержка переключения из состояния «1» в состояние «0».

Существенным параметром логических элементов является потребляемая мощность от источника питания. В зависимости от типа и серии, мощность, потребляемая логической микросхемой, составляет 1,5 Вт – 1 мкВт. Ее обычно определяют по средней мощности, потребляемой элементом в состояниях «0» и «1». Потребляемая мощность связана с быстродействием микросхем. Микросхемы, потребляющие большую мощность, отличаются, как правило, и высоким быстродействием.

Помехоустойчивость характеризует меру невосприимчивости логических элементов к изменению своих состояний под воздействием напряжения помех. Помехи, действующие на входе логической микросхемы, подразделяются на статические и импульсные (статическая и импульсная помехоустойчивость). Статическими называют помехи, напряжение которых остается постоянным в течение времени, значительно превышающего длительность переходных процессов в схеме. Причиной их появления являются падения напряжения в проводниках, соединяющих микросхемы в устройстве. Статическая помехоустойчивость характеризуется максимальным напряжением помехи U_П, которое может быть подано на вход логического элемента, не вызывая при этом его ложного срабатывания.

Импульсные помехи обусловливаются различными наводками от соседних работающих установок. Импульсная помехоустойчивость характеризуется напряжением импульса U_ПИ, величина которого зависит от формы и длительности импульса. К действию помех наиболее чувствительны микросхемы, имеющие малый перепад логических уровней. Для уменьшения влияния помех необходимо рационально компоновать корпусы микросхем на печатных платах, осуществлять соответствующие развязки по цепям напряжений питания, а в некоторых случаях экранировать цепи связи между элементами или отдельные блоки.