4.2.     Базовые логические элементы

Базовые логические элементы

Базовые логические элементы – это схемы, содержащие элек­тронные ключи и выполняющие основные логические операции. Базовые логические элементы составляют основу для проектирования сложных цифровых устройств, выполняющих различные логические функции. Из алгебры логики известно, что сложные логические функ­ции можно выразить через совокупность конечного числа базисных логических функций. Такие совокупности образуют: базисные логиче­ские функции НЕ (инверсию), И (конъюнкцию), ИЛИ (дизъюнкцию); логические функции НЕ, И; логические функции НЕ, ИЛИ и др. Ука­занные логические функции реализуются в базовых логических элементах.

Базовые логические элементы могут изготавливаться в виде отдельных интегральных микросхем. Условные обозначения и таблицы истинности (таблицы состояний) наиболее часто используемых базовых элементов НЕ, И, ИЛИ приведены в табл. 4.1.

В зависимости от применяемых элементов и схемотехники различают транзисторно-транзисторные логические элементы (ТТЛ), эмиттерно-связанную логику (ЭСЛ) и элементы на комплементарных МДП-транзисторах (КМДП-логика).

Транзисторно-транзисторные базовые элементы

Транзисторно-транзисторные базовые элементы выполняются с использованием биполярных транзисторов. Функция НЕ реализуется с помощью рассмотренного в предыдущем параграфе электронного ключа (см. рис. 4.3). Кроме элемента НЕ на практике наиболее часто используется базовый логический элемент И-НЕ (штрих Шеффера), электрическая схема которого приведена на рис. 4.7.

Таблица 4.1

Условные обозначения и таблицы истинности базовых элементов НЕ, И, ИЛИ

Базовый элемент

Условное

Обозначение

Таблиц истинности

НЕ

И

ИЛИ

Особенностью схемы (рис. 4.6) является использова­ние многоэмиттерного транзистора V1. С помощью этого транзистора реализуется требуемая логическая функция базового элемента. В многоэмиттерном транзисторе (рис. 4.7) к базовой области транзистора примыкают две эмиттерные области. Инжекция носителей заряда в коллекторный пе­реход может производиться как из одного, так и из другого эмиттера. Ток базы может ответвляться в каждый открытый эмиттерный пере­ход транзистора, В транзисторно-транзисторные логических элементах используются многоэмиттерные транзисторы с тремя, четырьмя и более эмиттерами.

Работа схемы ТТЛ-элемента

Рассмотрим работу схемы ТТЛ-элемента при подаче различных логических сигналов. При этом для простоты уровню логической еди­ницы будем приписывать напряжение, равное напряжению питания, а уровню логического нул
я – нулевое напряжение.

Случай 1. На оба входа элемента И-НЕ подаются логические единицы: UХ1 = UХ2 = ЕП. Из анализа схемы (см. рис. 4.6) следует, что оба эмиттерных перехода многоэмиттерного транзистора будут закрыты. Наобо­рот, коллекторный переход транзистора V1 будет открыт. В этом слу­чае транзистор V1 работает в необычном, инверсном режиме. Возникающий базовый ток протекает через прямо смещенный коллек­торный переход и открывает транзистор V2.

Сопротивление между коллектором и эмиттером этого транзистора становится малым (ключ замкнут). В транзисторе протекают большие токи эмиттера и коллек­тора. Сопротивления резисторов RК и RЭ подобраны так, что транзи­стор V4 открывается, а транзистор V3 – закрывается. На выходе эле­мента получаем логический нуль. Диод D предназначен для повышения потенциала эмиттера транзистора V3 и, следовательно, для надежного удержания этого транзистора в закрытом состоянии.

Случай 2. На оба входа ТТЛ-элемента подаются логические нули: UХ1 = UХ2 = 0. В этом случае открываются эмиттерные переходы многоэмиттерного транзистора. Сопротивление между коллектором и эмиттерами открытого многоэмиттерного транзистора становится ма­лым (ключ замкнут). Следовательно, становится малым напряжение на базовом выводе транзистора V2, и этот транзистор закрывается. При этом открывается транзистор V3 и закрывается транзистор V4. На выходе элемента получаем логическую единицу. Дополнительный резистор RД предназначен для ограничения выходного тока логического элемента.

Случай 3. Нулевое напряжение подается на один из входов элемента и будет соответствовать второму случаю. Действительно, при подаче нулевого напряжения на один вход элемента многоэмиттерный транзистор будет открываться так же, как при подаче нулевых напряжений на оба входа схемы. На выходе базового элемента и в этом, третьем, случае будет формироваться логическая единица.

Таблица истинности логического элемента И-НЕ имеет вид     (рис. 4.8). Известно, что, комбинируя соединения таких схем, можно построить любую по сложности логическую функцию. Из анализа таблицы истинности схемы следует, что ее можно получить при последовательном соединении элементов И и НЕ.

КМДП-логика

КМДП-логика выполняется с использованием комплементарных полевых транзисторов с изолированными затворами и с индуцирован­ными каналами. Операция отрицания (функция НЕ) реализуется с по­мощью двух электронных ключей, каждый из которых является на­грузкой другого (рис. 4.9). Причем для правильной работы схемы транзисторы должны иметь разный тип проводимости канала. При указанном положительном напряжении питания полевой транзистор V1 должен иметь р-канал, а полевой транзистор V2 – n-канал.

Тран­зистор V1 открывается при подаче нулевого напряжения на затвор, так как в этом случае относительно истока на затворе возникает отрицательное напряжение, и в приповерхностный слой под затвором из n-подложки подтягиваются дырки, создающие проводящий канал. Транзистор V2 открывается при подаче на затвор положительного на­пряжения. В этом случае в приповерхностный слой под затвором транзистора подтягиваются электроны проводимости.

При подаче на вход схемы (рис. 4.9) логической единицы (большого поло­жительного напряжения) транзистор VI закрывается, а транзистор V2 открывается. При этом на выходе элемента получаемм логический нуль. Если на вход схемы подается логический нуль, то закрывается транзистор V2 и открывается транзистор V1 – на выходе получаем логическую единицу.

Основное преимущество КМДП-логики – небольшая потребляемая мощность. У МДП-транзистора имеется очень маленький, практически нулевой ток затвора, и следовательно, на управление полевым транзистором расходуется незначительная мощность. В быстродействующих схемах с полевыми транзисторами наибольшая мощность затрачивается на заряд и разряд входной емкости полевого транзистора, а не на создание постоянного управляющего тока затвора.

В схемах КМДП-элементов отсутствуют резисторы, на нагрев которых обычно расходуется значительная доля энергии. При уменьшении геометрических размеров полевых транзисторов легко получить существенное увеличение быстродействия из-за уменьшения площади затвора и уменьшения емкостей между затвором и ист