Условное обозначение логического элемента И - НЕ показано на рисунке 1.9, а. Ему эквивалентна структурная схема, показанная на рисунке 1.9, б.
Рисунок 1.9 - Условное обозначение логического элемента И - НЕ (а), его функциональный эквивалент (б) и таблица истинности (в)
Логической «1» на всех информационных входах соответствует логический «0» на выходе элемента. При логическом «0» на одном из входов создается логическая «1» на выходе. Для двухвходового элемента И - НЕ сказанное отражено в таблице истинности на рисунке 1.9, в. Логическая функция элемента И – НЕ при п входах отвечает выражению
(1.5)
Рисунок 1.10 - Схема логического элемента И - НЕ ДТЛ (а) и его временные диаграммы (б)
На рисунке 1.10, а приведена схема логического элемента И - НЕ ДТЛ. Принцип действия элемента иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рисунке 1.10, б. При логических «1» на обоих входах диоды Д1, Д2 закрыты. В схеме образуется цепь: +Ек — Rб — Д' — Д", которая обеспечивает протекание тока базы I б ≈ Eк/Rб транзистора. Транзистор открыт и насыщен, F = 0.
При логическом «0» на одном из входов (например, х1) открывается диод этого входа (Д1). Образуется цепь, в которой ток резистора Rб (рисунок 1.10, а) протекает через открытый диод (Д1) и источник сигнала логического «0» (x1). При этом цепь Д' - Д" - эмиттерный переход транзистора — оказывается шунтированной цепью с проводящим диодом. Ток базы транзистора равен нулю, транзистор закрыт, F = 1.
Поскольку напряжение на открытом диоде входной цепи, а также напряжение входа логического «0» реально больше нуля, точка у на рисунке 1.10, а имеет некоторый положительный потенциал относительно эмиттера транзистора. В отсутствие диодов Д', Д" это могло бы привести к приоткрыванию транзистора. При их введении напряжение между точкой у и эмиттером транзистора будет приложено к диодам, а напряжение Uбэ транзистора близко к нулю.
На рисунке 1.11 приведена другая схема элемента И - НЕ, реализованная на транзисторах. Схемы такого типа образуют класс элементов так называемой транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
Рисунок 1.11 - Схема логического элемента И - НЕ ТТЛ
Основой этого класса элементов является использование многоэмит-терного транзистора Тм. Функция многоэмиттерного транзистора сводится к замене диодной части схемы элемента И - НЕ (см. рис. 1.10, а). Подобная замена технологически выгодна, поскольку изготовление многоэмиттерного транзистора в микросхемах не намного сложнее, чем изготовление обычного транзистора, а площадь, занимаемая многоэмиттерным транзистором в кристалле полупроводника, меньше диодной части элемента И - НЕ ДТЛ. От обычного транзистора многоэмиттерный транзистор отличается наличием нескольких (например, трех) эмиттерных областей с общими для всего транзистора базовым и коллекторным слоями.
При комбинации входных сигналов, когда на одном из входов (например, x1)действует нулевое напряжение (x1 = 0), ток через резистор R замыкается по цепи эмиттера этого входа. В базу транзистора Т 1, ток эмиттера Iэ1м не ответвляется, так как для направления тока Iкм (указано на рисунке 1.11 пунктирной стрелкой) сопротивление база - эмиттер транзистора T1 довольно велико. Транзистор Т1 закрыт. Сигнал на выходе F = 1. Так будет и при нулевых входных сигналах на большем числе входов элемента.
При наличии на всех входах логической «1» (напряжений, близких к + Ек) все эмиттерные переходы транзистора Тм будут находиться под обратным напряжением, а коллекторный переход — под прямым. Ток Iбм будет обусловливать ток Iкм, направление которого показано на рисунке 1.11 сплошной стрелкой. Транзистор Т1, будет открыт, его сигнал F = 0. Таким образом, схема (рисунок 1.11) выполняет логическую операцию И - НЕ.
Наличие усилительного элемента, транзистора, в логических микросхемах ИЛИ - НЕ и И - НЕ классов ДТЛ и ТТЛ определяет такое их важное преимущество, как сохранение неизменного уровня напряжения, соответствующего логической «1», в процессе передачи сигнала при их последовательном соединении. В связи с этим указанные элементы, а также элемент НЕ являются базовыми в интегральной схемотехнике. В одном корпусе выпускаемых микросхем обычно содержится несколько элементов одного типа.
Классификация
Большое разнообразие современных цифровых логических схем можно разделить
1 в зависимости от схемотехники логического элемента (ЛЭ) (типа логики):
- на схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ);
- транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ);
- эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ);
- с комплементарными МОП-транзисторами (КМОП)
2 по принципу построения активного элемента:
- на биполярные;
- полевые
3 способу передачи информации:
- на синхронные;
- асинхронные
типу информационных сигналов:
- на потенциальные;
- импульсные;
- импульсно-потенциальные.
В последние годы получило развитие новое направление — схемы на основе арсенида галлия.
Для удобства разработчиков аппаратуры по технологическим, схемотехническим и конструктивным признакам цифровые интегральные микросхемы (ИМС) выпускаются сериями. Серия — это совокупность ИМС различного функционального назначения, имеющих общие электрические и эксплуатационные характеристики, выполненных по единой технологии и объединенных одним конструктивным решением (видом корпуса).
Функционально полная серия обычно содержит в своем составе несколько десятков типов ИМС, выполняющих различные логические и арифметические операции и представляющих собой как простые (комбинационные) логические элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ, И-ИЛИ НЕ, так и целые узлы и блоки аппаратуры (регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, арифметическо-логические устройства (АЛУ), схемы сравнения и др.).
Степень интеграции цифровых схем определяется как
i=logN,
где N - число элементов на кристалле. В зависимости от i (исоответственно N) микросхемы делятся на простые интегральные схемы, средней степени интеграции (СИС), большие ИС (БИС) и сверхбольшие ИС (СБИС).
По функциональному назначению цифровые микросхемы разделяются на подгруппы (ЛЭ, триггеры, сумматоры и т. д.) и виды внутри подгрупп (триггеры: счетные, универсальные, Шмитта и т. д.).