Элементы транзисторно транзисторной логики

Логические элементы и таблицы истинности

Абсолютно все цифровые микросхемы состоят из одних и тех же логических элементов – «кирпичиков» любого цифрового узла. Вот о них мы и поговорим сейчас.

Логический элемент – это такая схемка, у которой несколько входов и один выход. Каждому состоянию сигналов на входах, соответствует определенный сигнал на выходе.

Итак, какие бывают элементы?

Элемент «И» (AND)

Иначе его называют «конъюнктор».

Для того, чтобы понять как он работает, нужно нарисовать таблицу, в которой будут перечислены состояния на выходе при любой комбинации входных сигналов. Такая таблица называется «таблица истинности». Таблицы истинности широко применяются в цифровой технике для описания работы логических схем.

Вот так выглядит элемент «И» и его таблица истинности:

Поскольку вам придется общаться как с русской, так и с буржуйской тех. документацией, я буду приводить условные графические обозначения (УГО) элементов и по нашим и по не нашим стандартам.

Смотрим таблицу истинности, и проясняем в мозгу принцип. Понять его не сложно: единица на выходе элемента «И» возникает только тогда, когда на оба входа поданы единицы. Это объясняет название элемента: единицы должны быть И на одном, И на другом входе.

Если посмотреть чуток иначе, то можно сказать так: на выходе элемента «И» будет ноль в том случае, если хотя бы на один из его входов подан ноль. Запоминаем. Идем дальше.

Элемент «ИЛИ» (OR)

По другому, его зовут «дизъюнктор».

Опять же, название говорит само за себя.

На выходе возникает единица, когда на один ИЛИ на другой ИЛИ на оба сразу входа подана единица. Этот элемент можно назвать также элементом «И» для негативной логики: ноль на его выходе бывает только в том случае, если и на один и на второй вход поданы нули.

Едем дальше. Дальше у нас очень простенький, но очень необходимый элемент.

Элемент «НЕ» (NOT)

Чаще, его называют «инвертор».

Надо чего-нибудь говорить по поводу его работы?

Ну тогда поехали дальше. Следующие два элемента получаются путем установки инвертора на выход элементов «И» и «ИЛИ».

Элемент «И-НЕ» (NAND)

Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал полностью противоположен. Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» — единица. И наоборот. Э то легко понять по эквивалентной схеме элемента:

Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR)

Та же история – элемент «ИЛИ» с инвертором на выходе.

Следующий товарищ устроен несколько хитрее:
Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR)

Операция, которую он выполняет, часто называют «сложение по модулю 2». На самом деле, на этих элементах строятся цифровые сумматоры.

Смотрим таблицу истинности. Когда на выходе единицы? Правильно: когда на входах разные сигналы. На одном – 1, на другом – 0. Вот такой он хитрый.

Эквивалентная схема примерно такая:

Ее запоминать не обязательно.

Собственно, это и есть основные логические элементы. На их основе строятся абсолютно любые цифровые микросхемы. Даже ваш любимый Пентиум 4.

Далее мы позанудствуем о том, как синтезировать цифровую схему, имея ее таблицу истинности. Это совсем несложно, а знать надо, ибо пригодится (еще как пригодится) нам в дальнейшем.

Ну и напоследок – несколько микросхем, внутри которых содержатся цифровые элементы. Около выводов элементов обозначены номера соответствующих ног микросхемы. Все микросхемы, перечисленные здесь, имеют 14 ног. Питание подается на ножки 7 (-) и 14 (+). Напряжение питания – смотри в таблице в предыдущем параграфе.

none Опубликована: 2005 г. 0 1
Вознаградить Я собрал 0 0

Источник

Элементы транзисторных логик: схемы, ТТЛ, ТТЛШ, КМОП

Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик.

1. Элементы транзисторно-транзисторной логики
2. Логические элементы ТТЛШ (на примере серии К555)
3. Микросхемы ТТЛШ
4. Особенности других логик
5. КМОП — логический элемент

Элементы транзисторно-транзисторной логики

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзисторможет моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу Т₂ транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе транзистора Т₂ будет низкий уровень напряжения, т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ:

u_вых= u₁· u₂. Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 3.28).
Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т₂ закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т₄, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).

Логические элементы ТТЛШ (на примере серии К555)

В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29, а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.29, б.
Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. ТранзисторVT₄ — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения u_вх1и u_вх2 имеют высокий уровень, то диодыVD₃ и VD₄ закрыты, транзисторы VT₁,VT₅ открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT₁ и VT₅ закрыты, а транзисторы VT₃ и VT₄ открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT₃ и VT₄ образуют так называемый составной транзистор (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

• напряжение питания +5 В;
• выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;
• выходное напряжение высокого уровня — не менее 2,5 В;
• помехоустойчивость — не менее 0,3 В;
• среднее время задержки распространения сигнала — 20 нс;
• максимальная рабочая частота — 25 МГц.

Особенности других логик

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального усилителя.
Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, −4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT₂ подано отрицательное постоянное опорное напряжение U_оп. Изменение входного напряжения u_вх1 приводит к перераспределению постоянного тока i_э0, заданного сопротивлением R_э между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах.

Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие параметры:

• напряжение питания −5,2 В;
• потребляемая мощность — 100 мВт;
• коэффициент разветвления по выходу — 15;
• задержка распространения сигнала — 2,9 нс.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.

В качестве примера рассмотрим элемент логики n-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31).

Он состоит из нагрузочного транзистора Т₃ и двух управляющих транзисторов Т₁ и Т₂. Если оба транзистора Т₁ и Т₂ закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень напряжения. Если одно или оба напряжения u₁и u₂ имеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т₁ и Т₂ и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения, т. е. реализуется функция u_вых= u₁ + u_2.

Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

КМОП — логический элемент

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32).

Если одно или оба входных напряжения u₁и u₂ имеют высокий уровень, превышающий U_{зи.порог.n}, то открывается один или оба транзистора Т₁ и Т₂, а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т₃ и Т₄ устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов Т₃ и Т₄, а следовательно, на выходе устанавливается низкое напряжение.

Таким образом, этот элемент реализует функцию u_вых= u₁+u₂ и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.

Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И 2 Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И 2 Л могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике. Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33, из которого видно, что транзистор T₁ (p-n-p) расположен горизонтально, а многоколлекторный транзистор Т₂ (n-p n) расположен вертикально. Транзистор T₁ выполняет роль инжектора, обеспечивающего поступление дырок из эмиттера транзистора T₁ (при подаче на него положительного напряжения через ограничивающий резистор) в базу транзистора Т₂.

Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ-НЕ на основе элемента, представленного на рис. 3.34 (для упрощения другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т₃ и Т₄ на рисунке не показаны). Когда на один или оба входа подается логический сигнал «1», то напряжение u_вых соответствует логическому нулю. Если на обоих входах логические сигналы «0», то напряжение u_вых соответствует логической единице.
Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц и более.

Источник



Электростанции

Навигация

• Меню сайта
  • Организация эксплуатации
  • Электрические схемы
  • Турбогенераторы
  • Трансформаторы и автотрансформаторы
  • Распределительные устройства
  • Электродвигатели
  • Автоматика
  • Тепловая изоляция
  • Регулирование энергоблоков
  • Тяговые подстанции
  • Выпрямители и зарядные устройства
  • Проектирование электрических сетей и систем
  • Электрооборудование электротермических установок
  • Электрооборудование земснарядов
  • Цифровая электроника

Меню раздела

Логические элементы на КМОП-транзисторах

Сокращение КМОП означает «комплементарный МОП-транзистор». Также иногда используется сокращение COSMOS, которое обозначает «комплементарная симметричная МОП-структура». Логические элементы этого подсемейства строятся как на «-канальных МОП-полевых транзисторах, так и на /^-канальных МОП-полевых транзисторах. Схемы этого подсемейства характеризуются ярко выраженной симметрией. При разработке схем применяют только самозапирающиеся МОП-транзисторы (см. Бойт, Электроника, ч. 2, разд. 8.2, МОП-полевые транзисторы).
Симметричность схем видна особенно хорошо в схеме элемента НЕ (рис. 6.91). Если на входе А действует Я-уровень, например +5 В, то транзистор Т2 отпирается. На его истоке и подложке 0 В. Напряжение затвор-исток UGS составляет +5 В. К истоку и подложке транзистора Тх приложены +5 В.

Если к управляющему электроду также прикладываются +5 В, то напряжение затвор-исток UGS = О В. Транзистор Тх заперт. Если Тх заперт, а Т2 открыт, то выход элемента Z имеет уровень L (рис. 6.92).
Если на входе А действует i-уровень О В, то транзистор Т2 запирается и напряжение затвор-исток UGS составляет О В. Напряжение затвор-исток транзистора Ту UGS = —5 В, так как напряжение истока +5 В, а затвора О В. Транзистор отпирается. Если Тх открыт, а Т2 заперт, выход элемента Z имеет уровень Н.
В КМОП-НЕ-элементе всегда один транзистор открыт, а другой заперт.
Если на выходе элемента НЕ действует уровень 0, то элемент практически не потребляет ток, так как Тх заперт. Если на выходе элемента НЕ действует уровень Н, то элемент также практически не потребляет ток, так как теперь Т2 заперт. Для управления последовательно включенными элементами также не требуется ток, так как полевые транзисторы практически не потребляют мощность. Только во время переключения от источника питания потребляется небольшой ток, так как оба транзистора одновременно, но недолго открыты. Один из транзисторов переходит из открытого состояния в запертое и еще не полностью заперт, а другой — из запертого в открытое и еще не полностью открыт. Также должны перезарядиться транзисторные емкости.
Все КМОП-элементы устроены так, что в токовой ветви один транзистор закрыт, а другой открыт. Энергопотребление КМОП-элементов крайне низко. Оно зависит в основном от количества переключений в секунду или частоты переключения.
КМОП-элементы отличаются малым энергопотреблением.
На рис. 6.93 изображена следующая типичная КМОП-схема. Если на обоих входах действует уровень L, то транзисторы 7’ и Т2 будут открыты, транзисторы Тг и Т4 заперты. Ту и Т2 при О В на А и В имеют UGS = — 5 В, а Т3 и Т4 имеют UGS = О В. На выходе Z действует уровень Н.
Если на входе А действует уровень Н(+5 В), а на входе 5-уровень L (О В), то Ту закрывается, а Т2 открывается. Путь от источника питания к выходу Z блокирован запертым транзистором.

Одновременно отпирается транзистор Т3 и на выходе Z действует примерно О В, то есть уровень L. Г4 заперт. Z всегда имеет уровень Z, если по крайней мере на одном входе действует уровень Н. Соответствующая схеме (рис. 6.93) рабочая таблица представлена на рис. 6.94. Схема производит при положительной логике операцию ИЛИ-НЕ.
Какую логическую операцию производит схема на рис. 6.95? Прежде всего для схемы должна быть составлена рабочая таблица. Если на обоих входах действуют Z-уровни (О В), то транзисторы Т < и Т2 открываются (UGS = — 5 В). Транзисторы Т3 и Г4 закрываются (UGS = О В). На выходе Л-уровень.
Если на обоих входах действуют #-уровни (+5 В), то транзисторы Тъ и Т4 открываются, а транзисторы Тх и Т2 закрываются. На выходе Z будет действовать Z-уровень.
Если на один вход приложен Я-уровень, а на другой — Z-уровень, то один из верхних транзисторов на рис. 6.95 (7^ или Т2) открывается. Один из нижних (Т3 или Г4) запирается. Через открытые транзисторы к выходу будет прикладываться if-уровень. На рис. 6.96 представлена соответствующая таблица истинности. Схема выполняет при положительной логике функцию И-НЕ.

КМОП-элементы производятся в основном в виде элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Особым элементом подсемейства КМОП является передаточный элемент. Он состоит из параллельного включенных и-канального МОП-транзистора и ^-канального МОП-транзистора (рис. 6.97).
Передаточный элемент работает как переключатель.
Если к Gx будет приложен уровень Н (например +5 В) и к G2 — уровень L (О В), то оба транзистора запираются. В /ьканальном МОП-транзисторе между управляющим электродом и подложкой приложено напряжение О В. Образование проводящего канала между истоком и стоком становится невозможным. Также и в я-канальном МОП-транзисторе между управляющим электродом и подложкой приложено напряжение О В. Здесь также не может возникнуть проводящий канал. Сопротивление между точками А и Zдостигает нескольких сотен МОм.
Если на

Источник

Логические КМОП (КМДП) инверторы

Микросхемы на комплементарных транзисторах (КМОП) строятся на основе МОП транзисторов с n- и p-каналами. Один и тот же входной потенциал открывает транзистор с n-каналом и закрывает транзистор с p-каналом. При формировании логической единицы открыт верхний транзистор, а нижний закрыт. В результате ток через КМОП микросхему не протекает. При формировании логического нуля открыт нижний транзистор, а верхний закрыт. И в этом случае ток через КМОП микросхему не протекает. Простейший логический элемент — это инвертор. Его схема приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Принципиальная схема инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП инвертор)

На этой схеме для упрощения понимания принципов работы КМОП микросхемы не показаны защитные и паразитные диоды. Особенностью микросхем на комплементарных МОП транзисторах (КМОП микросхем) является то, что в этих микросхемах в статическом режиме ток практически не потребляется.Потребление тока происходит только в момент переключения КМОП микросхемы из единичного состояния в нулевое и наоборот.

В результате этой особенности КМОП микросхем, они обладают преимуществом перед рассмотренными ранее видами цифровых микросхем — потребляют ток в зависимости от поданной на вход тактовой частоты. Примерный график зависимости потребления тока КМОП микросхемы в зависимости от частоты ее переключения приведен на рисунке 4.2

Рисунок 4.2. Зависимость тока потребления КМОП микросхемы от частоты

Логические КМОП (КМДП) элементы «И»

Схема логического элемента «И-НЕ» на КМОП микросхемах практически совпадает с упрощенной схемой «И» на ключах с электронным управлением, которую мы рассматривали ранее. Отличие заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Принципиальная схема логического элемента «2И-НЕ», выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП), приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3. Принципиальная схема логического элемента «2И-НЕ», выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП)

В этой схеме можно было бы применить в верхнем плече обыкновенный резистор, однако при формировании низкого уровня сигнала схема постоянно потребляла бы ток. Вместо этого, в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Эти транзисторы образуют активную нагрузку. Если на выходе требуется сформировать высокий потенциал, то транзисторы открываются, а если низкий — то закрываются.

В приведённой на рисунке 4.2 схеме логического КМОП элемента «И», ток от источника питания на выход КМОП микросхемы будет поступать через один из транзисторов, если хотя бы на одном из входов (или на обоих сразу) будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же на обоих входах логического КМОП элемента «И» будет присутствовать уровень логической единицы, то оба p-МОП транзистора будут закрыты и на выходе КМОП микросхемы сформируется низкий потенциал. В этой схеме, так же как и в схеме, приведенной на рисунке 4.1, если транзисторы верхнего плеча будут открыты, то транзисторы нижнего плеча будут закрыты, поэтому в статическом состоянии ток КМОП микросхемой от источника питания потребляться не будет.

Условно-графическое изображение КМОП логического элемента «2И-НЕ» показано на рисунке 4.4, а таблица истинности приведена в таблице 4.1. В таблице 4.1 входы обозначены как x 1 и x 2, а выход — F .

Рисунок 4.4. Условно-графическое изображение логического элемента «2И-НЕ»

Таблица 4.1. Таблица истинности МОП микросхемы, выполняющей логическую функцию «2И-НЕ»

Логические КМОП (КМДП) элементы «ИЛИ»

Логический элемент «ИЛИ», выполненный на КМОП транзисторах, представляет собой параллельное соединение ключей с электронным управлением. Отличие от упрощенной схемы «2ИЛИ», рассмотренной ранее, заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Вместо резистора в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Принципиальная схема логического элемента «2ИЛИ-НЕ», выполненного на комплементарных МОП-транзисторах приведена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5. Принципиальная схема логического элемента «2ИЛИ-НЕ», выполненного на комплементарных МОП транзисторах

В схеме КМОП логического элемента «2ИЛИ-НЕ» в качестве нагрузки используются последовательно включенные p-МОП транзисторы. В ней ток от источника питания на выход КМОП микросхемы будет поступать только если все транзисторы в верхнем плече будут открыты, т.е. если сразу на всех входах будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же хотя бы на одном из входов будет присутствовать уровень логической единицы, то верхнее плечо двухтактного каскада, собранного на КМОП транзисторах, будет закрыто и ток от источника питания поступать на выход КМОП микросхемы не будет.

Таблица истинности логического элемента «2ИЛИ-НЕ», реализуемая КМОП микросхемой, приведена в таблице 4.2, а условно-графическое обозначение этих элементов приведено на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6. Условно-графическое изображение элемента «2ИЛИ-НЕ»

Таблица 4.2. Таблица истинности МОП микросхемы, выполняющей логическую функцию «2ИЛИ-НЕ»

В настоящее время именно КМОП микросхемы получили наибольшее развитие. Причём наблюдается постоянная тенденция к снижению напряжения питания. Первые серии микросхем такие как К1561 (иностранный аналог C4000В) обладали достаточно широким диапазоном изменения напряжения питания (3..18В). При этом при понижении напряжения питания у конкретной микросхемы понижается её предельная частота работы. В дальнейшем, по мере совершенствования технологии производства, появились улучшенные КМОП микросхемы с лучшими частотными свойствами и меньшим напряжением питания, например, SN74HC.

Источник