Реферат Логические элементы и их электронные аналоги
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
РЕФЕРАТ
на тему:
Логические элементы и их электронные аналоги.
содержание
Введение. ……………………………………………………………. 3
Логический элемент И. ……………………………………………... 5
Логический элемент ИЛИ. ………………………………………….. 7
Логический элемент НЕ. ……………………………………………. 8
Логический элемент И-НЕ. …………………………………………12
Логический элемент ИЛИ-НЕ. …………………………………….. 14
Литература. …………………………………………………………. 17
Введение.
Математической основой цифровой электроники и вычислительной техники является алгебра логики или булева алгебра (по имени английского математика Джона Буля). В булевой алгебре независимые переменные или аргументы (X) принимают только два значения: 0 или 1. Зависимые переменные или функции (Y) также могут принимать только одно из двух значений: 0 или 1. Функция алгебры логики (ФАЛ) представляется в виде:
Y = F (X1; X2; X3 ... XN ).
Данная форма задания ФАЛ называется алгебраической.
Основными логическими функциями являются:
- логическое отрицание (инверсия)
Y =
- логическое сложение (дизьюнкция)
Y = X1 + X2 или Y = X1 V X2 ;
- логическое умножение (коньюнкция)
Y = X1 · X2 или Y = X1 L X2 .
К более сложным функциям алгебры логики относятся:
- функция равнозначности (эквивалентности)
Y = X1 · X2 +
- функция неравнозначности (сложение по модулю два)
Y = X1 ·
- функция Пирса (логическое сложение с отрицанием)
Y =
- функция Шеффера (логическое умножение с отрицанием)
Y =
Логический элемент – это электронное устройство, реализующее одну из логических операций. Логические элементы представляют собой электронные устройства, в которых обрабатываемая информация закодирована в виде двоичных чисел, отображаемых напряжением (сигналом) высокого и низкого уровня. Термин «логические» пришел в электронику из алгебры логики, оперирующей с переменными величинами и их функциями, которые могут принимать только два значения: «истинно» или «ложно». Для обозначения истинности или ложности высказываний используют соответственно символы 1 или 0. Каждая логическая переменная может принимать только одно значение: 1 или 0. Эти двоичные переменные и функции от них называются логическими переменными и логическими функциями. Устройства, реализующие логические функции, называются логическими или цифровыми устройствами. Условное графическое изображение цифрового устройства показана на рисунке 1. На входы устройства подают комбинации двоичных переменных Х1, Х2, …, Хn, с выхода снимают комбинации двоичных переменных Y1, Y2, …, Ym. Выходные и входные переменные связаны между собой логической функцией λ.
|
Xn Ym
Рис.1.
Логические элементы по режиму работы подразделяются на статические и динамические. Статические ЛЭ могут работать как в статическом, так и динамическом (импульсном) режимах. Статические элементы наиболее широко используются в современных микросхемах. Динамические ЛЭ могут работать только в импульсном режиме.
Логические элементы классифицируют также по типу применяемых транзисторов. Наибольшее распространение получили ЛЭ на биполярных и МДП - транзисторах и МДП – транзисторах. Кроме того, интенсивно разрабатываются ЛЭ на арсенид – галлиевых МЕП и ГМЕП – транзисторах. Для каждого из перечисленных типов ЛЭ существует число схемотехнических и конструктивно – технологических разновидностей.
Логический элемент И.
|
|
|
|
Рис. 2.
показано на рис. 3, все ключи замкнуты (состояние 1), появляется выходное напряжение и включается индикатор. Более практичной формой для блока И является диодная схема, показанная на рис. 4. Используя положительное напряжение +V для состояния 1 и V=0 для состояния 0, видим, что схема обеспечивает на выходе состояние 1 для +V, только если на все входы подано напряжение +V, или 1. Любой вход при V=0 поддерживает выход в состоянии 0. В самом деле, диоды смещены в положительном направлении и выходное напряжение равно нулю, что означает, что выходное состояние есть 0. Если ко всем тем входам одновременно приложить положительное напряжение несколько больше чем V, то диоды становятся обратно смещенными и выходное напряжение возрастает до V, т. е. наступает состояние 1. Заметим, что если даже один вход находится в состоянии 0, т. е. на соответствующем диоде имеется прямое смещение, то выходной сигнал остается равным нулю. Это объясняется тем что нулевое напряжение на любом входе дает короткое замыкание выхода на землю. В логической форме это означает, что 0 на любом входе создает 0 на выходе.
Операцию, осуществляемую блоком И, не следует смешивать с математической операцией сложения, так как выход блока И не есть сумма входных сигналов, как это следует из функциональной таблицы. Блок И широко используется в цифровых электрических схемах и обозначается символом, показанным на рис. 4,б.
|
а) б)
Рис.3. Цепочка последовательных Рис.4: а) диодная схема с тремя входами; б) ее
ключей схемы логического И символическое обозначение
Схема простейшего двухвходового элемента И на биполярных транзисторах приведена на рис. 5, а, а на рис. 5, б – диаграмма его работы. Элемент И называют иногда схемой совпадения, так как из диаграммы работы видно, что сигнал 1 на выходе появляется только в том случае, на обоих входах А и В одновременно действуют напряжения логической 1. Поскольку транзисторы VT1 и VT2 соединены последовательно, то ток в цепи может протекать только в случае, если одновременно открыты оба транзистора. Если открыт только один из транзисторов, то ток протекать не будет и напряжение на выходе будет нулевым. Таким образом, схема выполняет логическое умножение И в соответствии с функциональной таблицей И.
Схема логического элемента И в ТТЛ – варианте исполнения приведена на рис. 5, в. Особенность схемы – использование на входе многоэмиттерного транзистора VT1. Если на оба входа А и В поданы напряжения логического 0, то открыты оба перехода база -эмиттер транзистора VT1 и ток проходит только через них, не ответвляясь в переход база – коллектор. Вследствие этого транзистор VT2 закрыт и на выходе Q действует нулевое напряжение. Если на один из входов подается положительное напряжение логической 1, то соответствующий переход база – эмиттер транзистора VT1запирается. Однако основной переход база – коллектор не опирается, ибо конструкция многоэмиттерного транзистора (и режим работы) такова, что ток в цепи база – коллектор может протекать тогда, когда оказываются запертыми все переходы база – эмиттер. Таким образом, только при одновременной подаче на оба входа напряжения логической 1 отпирается переход база – коллектор транзистора VT1, что в свою очередь приводит к отпиранию транзистора VT2 появлению на выходе напряжения логической 1 в полном соответствии с правилом действия логического элемента И.МОП – вариант схемы логического элемента И приведен на рис. 5, г. Здесь, как и в предыдущих схемах, вместо сопротивления нагрузки используется МОП – транзистор с отпирающим напряжением на затворе.
Рис.5. Логический элемент И на биполярных транзисторах (а), диаграммы напряжений на его входах А, В я выходе Q (б); элемент И, выполненный на многоэмиттерном (б) и МОП-транзисторах (а)
Логический элемент ИЛИ.
Логическое утверждение «Если А или В истинно, тогда Q истинно» записывается так А+В=Q, где знак «+» есть символ, обозначающий операцию ИЛИ. Соответствующая этому определению Функциональная табл. 2. показывает, что выход получается при наличии любого входного сигнала. Принципиальная схема двухвходового логического элемента ИЛИ в ТТЛ-исполнении приведена на рис. 6, а. В соответствии с правилами логического сложения, если на входах А и В действуют сигналы логических 0, переходы база - эмиттер транзисторов VT1 и VT4 открыты и через них протекает ток. При этом, очевидно, через переходы база - коллектор в транзисторах VT1 и VT4 ток не протекает, вследствие чего закрыты транзисторы VT2 и VT3 и на их общем сопротивлении в цепи эмиттеров R2 нет падения напряжения, т.е. выходной сигнал Q соответствует логическому 0. Если на одном из входов А или В действует сигнал положительной полярности, соответствующий логической 1, то происходят запирание перехода база — эмиттер транзистора VT1 (или VT4) и отпирание перехода база — коллектор. Это приводит к отпиранию транзистора VT2 (или VT3 и появлению на резисторе R2 - на выходе Q — почти полного напряжения источника питания (за вычетом падения напряжения в несколько десятых долей вольта на полностью открытом транзисторе VT2 или VT3. При подаче сигнала 1 на оба входа А и В открываются и оба выходных транзистора VT2 и VT3, что приводит к некоторому увеличению напряжения на выходе Q. Таким образом, рассмотренная электронная схема выполняет логическое сложение ИЛИ.
Рис. 6. Логический элемент ИЛИ, выполненный на биполярных (а) и И МОП-транзисторах (б)
|
Логический элемент ИЛИ на МОП-транзисторах может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 6, б. В этой схеме транзисторы VT1 и VT2 включаются при подаче на их затворы положительного напряжения логической 1 и выключаются, если действует напряжение логического 0. Транзистор VT3 используется вместо резистора и постоянно открыт, что приводит к потреблению энергии питания, в то время когда открыты транзисторы VT1 и VT2.
Логический элемент НЕ.
|
Существенно повысить быстродействие инвертора и снизить расход энергии питания позволяет применение диодов Шоттки, включаемых параллельно переходу коллектор - база биполярного транзистора (рис. 7, в). Такое соединение называется транзистором Шоттки и обозначается в электронных схемах, как показано на рис. 7, в. Среднее время задержки сигналов в логических элементах ТТЛШ порядка 1,5 нс при средней потребляемой мощности около 20 мВт на один логический элемент.
Применение МОП-транзисторов позволяет почти в 10 раз увеличить число активных элементов на кристалле интегральной микросхемы и более чем в 103 раз уменьшить потребление энергии питания по сравнению с биполярными транзисторами. Однако почти в 10—20 раз уменьшается быстродействие (в первую очередь, из-за больших емкостей на входе и выходе транзисторов и очень высоких входных сопротивлений).
Рис. 7. Логический элемент НЕ, выполненный на обычном биполярном транзисторе (а); многоэмиттерном транзисторе с дополнительным усилителем (б); Транзистор Шоттки и его условное графическое изображение в электронных схемах (в).
Рис. 8. Логический элемент НЕ, выполненный на МОП-транзисторах с n-каналом (а), комплиментарной паре МОП-транзисторов с n- и р-каналами (б).
Логический элемент И – НЕ.
|
Рис. 9. Логический элемент И-НЕ, выполненный на МОП-транзисторах с га-каналами (а), многоэмиттерном биполярном транзисторе и дополнительном усилителе (б), комплементарных МОП-транзисторах (в) и условные графические обозначения элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ в электронных схемах (г)
Логические элементы ИЛИ-НЕ.
Изменив схему логического элемента ИЛИ на МОП-транзисторах возможно получить новый, более универсальный элемент ИЛИ-НЕ, осуществляющий одновременно с логическим сложением ИЛИ и логическое отрицание (инверсию) НЕ. Для этого активные элементы должны быть использованы не в режиме повторителей (как в схеме рис. 6, б), а в режиме усилителей-инверторов, что легко достигается перенесением общего сопротивления нагрузки из цепи истоков в цепь стоков. На рис. 10, а приведена такая схема логического элемента ИЛИ-НЕ. При сигналах логического 0 на входах А и В транзисторы VT2 и VT3 заперты, а поскольку транзистор VT1 постоянно открыт и играет роль сопротивления нагрузки, то на выходе Q действует положительное напряжение логической 1. Если на одном из входов А или В (или одновременно на двух) действует положительное, напряжение, соответствующее логической 1, то транзистор VT2 или VT3 или оба вместе оказываются открытыми и напряжение на выходе Q снижается до нескольких десятых долей-единиц вольт, т. е. до уровня напряжения логического 0.
|
|
Рис. 10. Логические элементы ИЛИ-НЕ, выполненные на биполярных транзисторах (а), МОП-транзисторах с n-каналами (б), комплиментарных парах МОП-транзисторов (в).
Существенно снизить потребление энергии питания и увеличить быстродействие позволяет использование КМОП-транзисторов. В частности, на рис. 10, б приведена схема такого вида. Транзисторы VT1 и VT2 имеют р-каналы и открываются, если на их затворы подается напряжение логического 0 (так как на их затворы, соединенные с плюсом источника питания, подается отрицательное напряжение в отпирающей полярности). При этом транзисторы VT3 и VT4, имеющие n-каналы, оказываются запертыми и напряжение на выходе Q близко к напряжению источника питания, т. е. к напряжению логической 1. Если хотя бы на одном из входов действует напряжение логической 1, то один из транзисторов VT1 или VT2 закрывается, а поскольку они соединены последовательно, схема отключается от источника питания и на выходе Q напряжение равно 0. В добавление к этому открывается один из транзисторов VT3 или VT4 (включенных параллельно) и выход соединяется с общим проводом через весьма малое сопротивление 100—300 Ом. Таким образом, элемент действует в полном соответствии с таблицей истинности ИЛИ-НЕ (табл. 5.). Следует отметить, что схема чрезвычайно экономична и потребляет ток только в очень краткие мгновения, во время переключения, когда одни транзисторы открываются, а другие еще не успели закрыться.
В рассмотренных схемах логических элементов для упрощения показывалось, как правило, лишь два входа. Это совсем не означает, что в реальных схемах их только два - их может быть значительно больше, до 8-10. И есть специальные устройства - расширители, которые позволяют увеличить число входов. Однако в случае необходимости можно увеличить число входов элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ способом наращивания, объединяя последовательно-параллельно несколько отдельных микросхем с меньшим числом входов. При этом может возникнуть проблема: что делать с оставшимися свободными входами? Если применены элементы И в ТТЛ-исполнении, то все свободные входы надо соединить вместе и подключить через резистор в 1 - 2 кОм к плюсу источника питания (+5 В). Свободные входы можно соединить с используемыми, но это не всегда желательно, ибо увеличивается нагрузка на источник сигнала. В МОП и КМОП-схемах И свободные входы можно соединять непосредственно с плюсом источника питания.
Несколько сложнее наращивание в случае элементов ИЛИ-НЕ, И-НЕ, где приходится использовать дополнительные инверторы.
В современной цифровой технике в настоящее время доминируют четыре семейства логических микросхем в интегральном исполнении: ТТЛ; ТТЛШ; КМОП и ЭСЛ, выпускаемые во всем мире сотнями миллионов штук ежегодно. При этом наиболее широко применяются для построения цифровых информационно-измерительных геофизических устройств микросхемы ТТЛ, ТТЛШ и КМОП. Цифровые микросхемы семейства ЭСЛ, пока не имеющие себе равных по быстродействию (доли наносекунды), потребляют слишком много энергии питания и используются преимущественно для создания сверхбыстродействующих ЭВМ универсального применения.
Все логические элементы выпускаются в виде микросхем в интегральном исполнении и маркируются стандартным семиэлементным кодом. При этом третий элемент маркировки — две буквы — обозначает: ЛИ — элемент И; ЛН — элемент НЕ; ЛЛ — элемент ИЛИ; ЛА — элемент И-НЕ; ЛЕ — элемент ИЛИ-НЕ; ЛС — элемент И-ИЛИ; ЛБ — элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ; ЛР — элемент И-ИЛИ-НЕ; Л К — элемент И-ИЛИ-НЕ/И-ИЛИ; ЛМ— элемент ИЛИ-НЕ/ИЛИ; ЛД — расширители; ЛП — прочие типы элементов (в том числе исключающее ИЛИ); ХЛ — многофункциональные элементы.
Список использованной литературы
1. Бобровников Л. З. Радиотехника и электроника. М. Недра, 1990 г.
2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных приборах. Л. Энергия, 1978 г.
3. Ямпольский В. С. Основы автоматики и вычислительной техники. М. Просвещение, 1991 г.
4. Нефёдов В. И. Основы радиоэлектроники. М. Высшая школа, 1994 г.
