Способы реализации основных логических элементов (И, ИЛИ, НЕ). Логические схемы на диодах и транзисторах.
Так как логические переменные могут иметь два дискретных значения, то следует обратить внимание на схемы, которые могут находиться в двух легко различимых рабочих состояниях. Простейшим способом реализации логической переменной является ключ. Примеры электрических схем, реализующих наиболее распространенные в цифровой технике функции. Основные логические функции могут быть реализованы с помощью соответствующих электронных схем. Эти схемы имеют один или несколько входов и один выход. Обычно они называются логическими элементами. Логический элемент – это электронное устройство, реализующее одну из логических операций.Уровень выходного напряжения определяется уровнями напряжения на входах и характером логической функции. Для реализации одной и той же логической функции существует большое число различных электронных схем. Поэтому с целью упрощения документации были введены символы, которые обозначают лишь только логическую функцию и не раскрывают внутреннее строение схемы.
Для реализации основных логических функций имеется ряд различных схем, которые отличаются по потребляемой мощности, напряжению питания, значения высокого и низкого уровней выходного напряжения, времени задержки распространения сигнала и нагрузочной способности.
Рассмотрим принципы построения и особенности трех наиболее часто встречающихся в сварочном оборудовании типа логических элементов.
Диодно-транзисторная логика /ДТЛ/ широко применяются в схемах управления циклом контактной сварки и в блоках управления сварочными выпрямителями. В схеме ДТЛ базовый ток выходного транзистора (схема НЕ) проходит через резистор R1 только в том случае, если заперты оба входных диода, т.е. если все входные напряжения имеют высокий уровень. В этом случае транзистор открыт и выходное напряжение находится на низком уровне следовательно реализуется функция И-НЕ. Для использования в устройствах с высоким уровнем наводимых импульсных полей двойной диод заменен стабилитроном. Благодаря этому максимальное значение уровня логического нуля повышается до 7 В, что позволяет исключить ложные срабатывания устройства. Хотя схемы на основе ДТЛ обладают не высоким быстродействием и относительно большой потребляемой мощностью (30 мВт/эл) они широко применяются в сварочной технике из-за высокой помехоустойчивости.
Одной из наиболее распространенных схем является схема на основе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
Схема ТТЛ во многом напоминает схему ДТЛ. Диоды входной схемы И в ней заменены одним транзистором с несколькими эмиттерами. Если все входные напряжения Х1, Х2 имеют высокий уровень, ток протекающий через резистор R1 по открытому в прямом направлении переходу Б-К входного транзистора, течет через базу транзистора VТ2 и открывает его. Если на один из входов подано низкое напряжение, то соответствующий переход Б-Э открывается и отключает базовый ток VТ2. При этом транзистор VТ2 запирается и выходное напряжение принимает значение, соответствующее высокому уровню.
Микросхемы ТТЛ типа обладают высоким быстродействием, небольшой потребляемой мощностью, на основе разработано большое количество логических элементов. Они применяются для разработки микропроцессоров, микроЭВМ и устройств управления процессами.
Интегральные микросхемы на полевых транзисторах стали выпускаться лишь с 1964г., хотя принцип действия этих транзисторов был известен еще до появления биполярных транзисторов. Наиболее совершенные в плане экономичности, быстродействия и занимаемой площади стали так называемые схемы на основе комплементарной МОП - логики.
В этих схемах используются p- и n- канальные полевые транзисторы. Пороговые напряжения обоих транзисторов составляет как правило 1,5В. Если Uх=0, то открыт p-канальный МОП - транзистор Т1, а n-канальный МОП - транзистор Т2 заперт. При этом выходное напряжение равно Uип. Если Uх1=Uип, то VТ1 заперт, а VT2 открыт и входное напряжение равно нулю. На основе данного принципа строят логические элементы, на рисунке представлен элемент НЕ. Основное достоинство элементов на КМОП структуре заключается в очень малом потреблении энергии. При этом в статическом режиме микросхема практически не потребляет тока. При увеличении частоты переключения потребляемая мощность растет пропорционально частоте переключения, и при частоте 1 кГц она равна 0,3-3мкВт. Еще одним достоинством данных схем является широкий диапазон питающих напряжений. Например для микросхем серии К176 напряжение питания может находится в пределах 3-15 В. КМОП элементы строятся только из МОП-транзисторов, что делает их весьма технологичными. Основной недостаток КМОП – элементов - сравнительно невысокое быстродействие.