 |
Основные параметры и характеристики логических элементов
|
|
|
|
ЛЕКЦИЯ 16
Основы цифровых интегральных схем
План лекции:
Основные параметры и характеристики логических элементов
Инверторы в цифровых интегральных схемах
Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики
Базовый элемент эмиттерно-транзисторной логики
Базовый элемент интегральной инжекционной логики
Базовые логические элементы на МДП-транзисторах
Элементы полупроводниковых запоминающих устройств
Основные параметры и характеристики логических элементов
В основу цифровой техники положена двоичная система счисления. Теоретической основой двоичных цифровых систем является булева алгебра, логические утверждения которой могут иметь два варианта, обычно обозначаемые как 1 и 0. Основным достоинством двоичной системы счисления для схемотехники является использование сравнительно простых электронных схем с двумя устойчивыми состояниями электрического равновесия. Значению 0 соответствует низкий уровень выходного напряжения схемы (устройства), значению 1 – высокий.
Множество логических функций от булевых переменных можно образовать посредством трёх основных логических операций: логическое отрицание (знак "−", который обычно ставят над буквенным обозначением переменной), логическое сложение (знак "+") и логическое умножение (знак "*" или точка "·"). Для обозначения эквивалентности выражений используют знак равенства "=".
Электронные схемы, выполняющие простейшие логические операции, называют логическими элементами.
Двоичный логический элемент, выполняющий операцию логического отрицания, называют инвертором или элементом НЕ. При нулевом входном сигнале на выходе инвертора получается 1, при единичном сигнале на входе – на выходе получается 0. Условное графическое изображение инвертора представлено на рис. 16.1. Инверторы, выполненные на биполярных и МДП- транзисторах, работают в ключевом режиме.
|
|
|
Рис. 16.1. Условное графическое изображение инвертора
Двоичный логический элемент, выполняющий операцию логического сложения (операцию дизъюнкции), называют элементом ИЛИ (дизъюнктором). Элементы ИЛИ могут иметь два и более входа (рис. 16.2). Элемент ИЛИ создаёт на выходе 1, если имеется 1, хотя бы на одном входе. Логическое уравнение элемента ИЛИ записывают в виде 
Рис. 16.2. Условное графическое изображение элемента ИЛИ
Двоичный логический элемент, выполняющий операцию логического умножения (операцию конъюнкции), называют элементом И (конъюнктором). Элементы ИЛИ могут иметь два и более входа (рис. 16.3). Элемент И создаёт на выходе 1, если имеется 1 на всех входах. Логическое уравнение элемента ИЛИ записывают в виде 
Рис. 16.3. Условное графическое изображение элемента И
Широко применяют двоичные логические элементы, выполняющие комбинацию логического сложения с отрицанием И−НЕ (рис. 16.4 а) и логического умножения с отрицанием ИЛИ−НЕ (рис. 16.4 б).
Рис. 16.4. Условные графические изображения комбинированных элементов
Параметры логических элементов определяются статической и динамической характеристиками.
Основной статической характеристикой логического элемента (ЛЭ) является переходная характеристика 
− зависимость потенциала на выходе ЛЭ от потенциала на одном из входов при постоянных потенциалах 
или 
на остальных входах. Здесь − потенциал, соответствующий 0, а − соответствующий 1. Передаточные характеристики делят на инвертирующие (рис. 16.5 а) и неинвертирующие (рис. 16.5 б).
|
|
|
Рис. 16.5. Статические характеристики инвертирующего (а) и неинвертирующего(б) логических элементов с петлями гистерезиса
Другими статическими параметрами ЛЭ являются:
− логический перепад выходных импульсов 
,
− зона неустойчивости 
,
− мощность 
и ток 
, потребляемые от источника питания,
− коэффициент объединения по входу 
(число входов ЛЭ),
− коэффициент разветвления по выходу 
(допустимое число входов других ЛЭ, одновременно подключаемых к выходу данного ЛЭ) и др.
Переход ЛЭ из одного устойчивого состояния электрического равновесия в другое (из 0 в 1 и обратно) происходит за очень короткое время ("скачок"). Параметры процесса перехода являются динамическими характеристиками ЛЭ, к основным из которых относят:
− 
− время перехода из состояния логической единицы в состояние логического нуля,
− 
− время перехода из состояния логического нуля в состояние логической единицы,
− 
− время задержки включения − интервал времени, измеренный между моментами достижения уровня 
входным импульсом и уровня 
выходным импульсом,
− 
− время задержки выключения − интервал времени, измеренный между моментами достижения уровня входным импульсом и уровня выходным импульсом,
− 
− максимальная частота переключения, при которой сохраняется работоспособность ЛЭ и др.
Логические схемы в устройствах вычислительной техники представляют собой последовательное и параллельное соединение логических элементов. Сложность логических схем и многообразие возможных сочетаний входных сигналов и нагрузок не позволяют производить индивидуальное согласование и регулировку ЛЭ в процессе изготовления, наладки и эксплуатации цифровых устройств. Поэтому для обеспечения работоспособности цифровой аппаратуры необходимо, чтобы ЛЭ обладали определёнными фундаментальными свойствами такими, как:
− совместимость входных и выходных сигналов,
− формирование сигнала (обеспечение амплитуды и длительности фронтов импульсов в допустимых пределах).
Промышленность выпускает цифровые интегральные схемы (ЦИС) в виде серий (наборов) базовых логических элементов, как правило, типа И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, так как с их помощью можно реализовать любые логические функции.
|
|
|
Распространены серии, построены на принципах:
− транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ),
− эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ),
− инжекционной интегральной логики (ИИЛ или И2Л) и
− МДП-логики.
|
|
|
