fon1

Работа логических элементов.

Если аналоговые схемы состоят из транзисторов, то цифровые, - из логических элементов. Конечно и логические элементы тоже состоят из транзисторов, представляя собой несложные схемки-блоки с входами и выходами, но для логической схемы все же элементарным «кусочком» считается логический элемент.
Итак, какие логические элементы бывают, и как они работают? Для описания работы логических элементов часто используют так называемые «таблицы истинности». В такой таблице приводятся все возможные сочетания логических уровней на входах элемента, и какой уровень на выходе будет при этом сочетании входных уровней.
Но сначала разберемся с тем что же такое "логический уровень". Это очень просто. Логических уровней два: высокий (логическая единица) и низкий (логический ноль). Практически это характеризуется высоким и низким напряжением. Для разных микросхем есть разные фактические величины нуля и единицы выраженные в вольтах. Например, для микросхем (МС) серии К155 логической единицей считается напряжение 2,4V, а ноль равен 0,4V. Но эти микросхемы могут работать только при питании напряжением 5V, а вот микросхемы серии К561 работают в очень широком диапазоне питающего напряжения. У них единица - это напряжение около напряжения питания, а ноль, он и есть ноль (практически 0,1V).
На практике получается, что входной сигнал чем ближе к напряжению питания, то это единица, а что ближе к нулю питания - ноль. Измеряется относительно нуля (т.е. относительно минуса питания МС). А напряжения все положительные. logich element1 Теперь вернемся к логическим элементам и таблицам истинности.

logich element1

Самый простой логический элемент это "НЕ" ("по-зарубежному" - "NОТ") или "инвертор".
У него есть только один вход и один выход. Если на входе ноль, то на выходе единица, и наоборот. На рис.1 показано графическое обозначение инвертора "по-нашему" и "по-зарубежному", а так же его таблица истинности. У "нас" - это прямоугольник, у "них" - треугольник, который больше похож на усилитель.
Очень важный момент - кружок на выходе. К этому кружку вообще следует хорошенько присмотреться, так как он присутствует во многих схемах и обозначает инверсию, т.е. функцию изменения уровня на противоположный.

logich element2

Элемент "И", "AND" или "конъюнктор".
У этого элемента может быть несколько входов, но не менее двух. Соответственно, с двумя входами "2И", с тремя "3И" и так далее. На рис. 2 дано обозначение этого элемента (вариант с двумя входами) и таблица истинности.
Понять логику элемента "И" можно так: если хотя бы на одном из его входов, сколько бы их ни было, ноль, то ноль будет и на выходе. А чтобы на выходе была единица нужно, чтобы на всех его входах были только единицы. В общем, ноль тут выходит "главный".

logich element3

Есть еще элемент "И-НЕ" ("NAND").
Отличается от элемента "И" ("AND") он тем, что его выход инверсный, то есть, практически уровень с выхода элемента "И" подали на вход элемента "НЕ" и получили сигнал противоположной полярности. (рис.3).
Если хотя бы на одном входе ноль, то на выходе - единица, А если на входе все единицы - на выходе ноль.

logich element4

Полной противоположностью "И" является элемент "ИЛИ" ("ОR") или "дизъюнктор". И у этого элемента может быть несколько входов, но не менее двух.
На рис. 4 дано обозначение этого элемента (вариант с двумя входами) и таблица истинности.
Понять логику элемента "ИЛИ" можно так: сколько ни было единиц на входе (хоть одна) - единица будет и на выходе, но чтобы на выходе был ноль, нужно чтобы на всех его входах были только нули. Тут единица "главная".

logich element5

Есть еще элемент с логикой "ИЛИ-НЕ" (NOR).
Отличается он от "ИЛИ" («0R») тем, что его выход инверсный (рис.5). Здесь так же единица "главная", но вот результат на выходе противоположный. Если хотя бы на одном входе единица, то на выходе - ноль. А если нули будут на всех входах, то на выходе - единица.

logich element6

Весьма интересный элемент "Исключающее "ИЛИ" ("ХОR").
На рисунке 6 дано обозначение этого элемента и таблица истинности. Действие, которое он выполняет называют «сложение по модулю 2». И действительно, на этих элементах строятся логические сумматоры.
Логика его работы такова: когда на его входах уровни разные, тогда на выходе будет единица, а ноль будет тогда, когда уровни одинаковы.

Более наглядно работу логических элементов на графиках и электрических аналогов элементов можно посмотреть по ссылке "Логические элементы микросхем"

Вот, в основном, из этих элементов и строятся все логические схемы, а так же их многочисленные составляющие, такие как триггеры, счетчики, дешифраторы... и даже процессоры. Они объединяются в микросхемы, а из микросхем уже сооружается цифровое устройство.
Довольно часто можно услышать или даже прочитать в технической литературе: "Какой логики микросхема?" Честно говоря такой вопрос мне всегда казался глупым. На самом деле "логика" одна и та же для всех цифровых МС - работа с нулями и единицами, а вот технологии производства микросхем разные. Вот это слово "технология" как-то, где-то "жаргонизировало", если можно так выразиться, в "логику".
В настоящее время наиболее распространены такие технологии - ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, быстродействующий КМОП и ЭСЛ.

ТТЛ - транзисторнo-транзисторная технология.
Это значит, что логические элементы МС выполнены по схемам на биполярных транзисторах. Эти МС могут работать на относительно высоких частотах (до 15 МГц), но ограничены по напряжению питания (5 ± 0,5V) и потребляют значительный ток от источника питания (20mА и более). Номинальные напряжения логической единицы и нуля 2,4V и 0,4V, соответственно.
По такой технологии сделаны отечественные микросхемы К155, К133 и зарубежные серии 74.

ТТЛШ - та же самая транзисторнo-транзисторная технология, но с диодами Шоттки.
Эти МС более высокочастотные и работают до 50-70 МГц, но страдают теми же недостатками что и ТТЛ - высокий ток потребления (от 5 до 40 mА для разных микросхем); ограничение по напряжению питания (5 ± 0,5V). Номинальные напряжения логической единицы и нуля 2,7V и 0,5V, соответственно.
По такой технологи сделаны отечественные микросхемы К555, К533, и зарубежные серии 74.
В общем, используя МС технoлогии ТТЛ и ТТЛШ сделать компактное и экономичное устройство весьма проблематично. Кроме того входы микросхем этих серий низкоомны и существенно нагружают выход другой МС, к которому они подключены.

КМОП-комплементарный метал-оксид полупроводник.
Проще говоря, это микросхемы на разноструктурных полевых транзисторах с изолированными затворами. Это обстоятельство дает целый ряд преимуществ: крайне низкий ток потребления (доли микроамперов); очень высокое входное сопротивление (к одному выходу можно подключать очень много входов), широкий диапазон питающего напряжения (от 3 до 15V).
Но есть и существенные недостатки: максимальная рабочая частота для разных МС и разного напряжения питания от 0,5 до 5 МГц. Причем при работе на частоте ближе к максимальной резко возрастает потребляемый ток (почти до ТТЛ-овских значений). К тому же, выходной ток относительно невысок (от 0,5 mA до 10 mА у разных МС), поэтому, например, для управления индикаторным светодиодом нужны какие-то дополнительные усилители мощности, вроде ключа на транзисторе КТ315.
Номинальное напряжение логической единицы немного ниже, или равно напряжению питания; напряжение нуля меньше 0,1V.
По такой технологии сделаны отечественные микросхемы К561, и зарубежные серии CD40. а так же многочисленные аналоги этих серий.

Быстродействующий КМОП.
Это наиболее современная технология с достоинствами ТТЛШ и КМОП. МС по этой технологии потребляют минимальный ток (микроамперы), но могут работать на частотах до 150 МГц. Напряжение питания лежит в пределах 2..6V. Логические уровни как у КМОП, но максимальный ток выхода может достигать 75 mА.
К ним относятся микросхемы серий КР1561 и зарубежные 74НС,74АС.

ЭСЛ - эмитерно-согласованные логические микросхемы.
Это наиболее высокочастотные "NОТ" микросхемы, способные работать на частотах до 500 МГц и более. Но эти они питаются отрицательным напряжением (-5 ± 0,5V). При этом уровень логической единицы равен -1 V, а уровень логического нуля -1,65V. Ток потребления без учета нагрузки - 0,3..2 mA, а ток нагрузки выхода - до 40 mА.
По данной технологии сделаны МС отечественных серий К500, К1500 и зарубежные МС10, F100.

Андреев С.

РК 2012/08

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet