Найпростіші логічні схеми

Елементною базою цифрової техніки є логічні елементи, які ком­понуються разом із запам'ятовувальними пристроями.

Логічні елементи — це електронні схеми, що відтворюють логічні функції й оперують логічними величинами, які прийма­ють тільки два значення: логічну одиницю та логічний нуль.

Найпоширенішими є елементи потенційного типу, в яких логічній одиниці відповідає рівень високого потенціалу (додатного чи від'єм­ного) або напруги, а логічному нулю — низький рівень (рис.4.12).

Логічні елементи виконують логічні операції, внаслідок чого вхід­на інформація перетворюється за відповідними логічними правилами у вихідну. Ці правила описуються таблицями істинності для кожної логічної операції, які формуються на основі алгебри логіки.

Рис. 4.12. Рівні напруг, що відповідають логічним величинам

В алгебрі логіки змінні і їх функції можуть приймати лише два значення: 0 і 1. Із змінними можуть бути проведені три основні дії: логічне додавання, логічне множення і логічне заперечення, що відповідає логічним функціям АБО, І, НЕ.

Таблиця 4.1. Структурні моделі простих логічних елементів

Назва	Умовне графічне зображення	Табличка істинності	Схемне виконання
АБО	х у F	х у F	х VD1 y F VD2 R +Uд.ж.
І	х у F	х у F	+Uд.ж. VD1 R х F y VD2
НЕ	х F	х F	+Uд.ж R F x VT
АБО-НЕ	х у F	х у F	+Uд.ж R F   x VT1 VT2 у
І-НЕ	х у F	х у F	+Uд.ж R F VT1 VT2   x y

Наведемо умовні позначення входів цифрових логічних схем, які найчастіше зустрічаються:

- статичний вхід, неінвертуючий вхідне значення потенціалу вхідного сигналу;

- статичний вхід, інвертуючий вхідне значення потенціалу вхідного сигналу;

() – динамічний вхід (зміна рівнів за наростанням, переднім (заднім) фронтом вхідного сигналу);

() - динамічний вхід (зміна рівнів за спадом, переднім (заднім) фронтом вхідного сигналу).

Логічна функція АБО – логічне додавання (диз’юнкція) позначається F = x + y[1] і читається так: логічна функція F приймає значення логічної одиниці (F = 1), якщо логічна змінна х або логічна змінна у дорівнюють 1.

Логічна функція І – логічне множення (кон’юнкція) позначається F = x ∙ y і читається так: логічна функція F приймає значення логічної одиниці (F = 1) тоді і лише тоді, коли логічна змінна х і логічна змінна у дорівнюють 1.

Логічна функція НЕ – логічне заперечення (інверсія) позначається і читається так: F дорівнює не х.

Окрім найпростіших логічних операцій, можуть використовуватись і більш складні. Найважливіші з них:

Логічна функція АБО-НЕ – заперечення диз’юнкції (стрілка Пірса). Позначається .

Логічна функція І-НЕ – заперечення кон’юнкції (операція Шиффера). Позначається .

В таблиці 4.1 представлено умовні графічні зображення, таблички істинності та схемне виконання простих логічних елементів.

Логічний елемент позначається прямокутником, всередині якого вказується символ, який визначає функцію, що виконується. Символ «1» визначає функцію АБО; символ & - функцію І; інверсія, яка здійснюється логічним елементом, позначається кружечком на виході прямокутника.

Як видно з таблиці, в склад логічних схем входять елементи, які мають два стійких стани, один з яких відповідає одиниці, а інший – нулю. Це такі елементи, як діоди і транзистори (в дискретному і інтегральному виконанні.

Схема, що реалізує логічну функцію АБО, може мати декілька входів і один вихід. Для роботи схеми необхідно, щоб опір резистора R був значно більшим прямого опору діоду і внутрішнього опору джерела вхідних сигналів. В вихідному стані діоди закриті. Якщо хоча б на один вхід подана позитивна напруга, яка відповідає логічні одиниці, то і на виході з’явиться сигнал логічної одиниці, який дорівнює падінню напруги на резисторі. Очевидно, що для реалізації операції АБО необхідно виконання умови U_вх > U_д.ж.

Якщо на входи схеми, що реалізує логічну функцію «І», одночасно подані високі напруги у вигляді імпульсів або позитивних перепадів напруг, то діоди запираються і на виході схеми встановлюється високий потенціал, який відповідає логічній одиниці (U_вих = U_д.ж).

Логічна функція НІ реалізується за допомогою схеми інвертора. В ній транзистор працює в ключовому режимі. У вихідному стані він закритий, так як потенціал бази практично дорівнює нулю. Напруга на виході у такому випадку відповідає логічній одиниці (U_вих ≈ U_д.ж). При подачі на базу транзистора високого позитивного потенціалу транзистор відкривається і на виході схеми встановлюється низька напруга, що відповідає логічному нулю. Транзистор при цьому знаходиться в режимі насичення.

Логічна функція І-НЕ реалізується послідовним ввімкненням двох транзисторів. При одночасній подачі на бази двох транзисторів позитивних сигналів транзистори відкриваються, на колекторному резисторі створюється падіння напруги, а на виході схеми напруга зменшується до рівня логічного нуля.

Електрична схема, що виконує функцію АБО-НЕ, складається із двох транзисторів із зв’язаними колекторами і спільного колекторного резистора. При відсутності сигналів на входах схеми транзистори закриті і на виході є сигнал логічної одиниці. Якщо хоча б на один вхід подати позитивний сигнал, то відповідний транзистор відкривається, і на виході схеми потенціал знизиться.

На даний час в схемах логічних елементів широко використовуються польові транзистори типу МДН або МОН.