Логічні елементи (стр. 1 из 2)
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
Логічні елементи
з дисципліни “Комп’ютерна схемотехніка ”
Загальні положення
Функція, що залежить від n змінних х1х2,...,хn, називається булевою, або перемикаючою, якщо функція f і любий з її аргументів хi, і є
приймають значення тільки з множини {0;1}. Аргументи булевої функції також називаються булевими.Логічні схеми виконують операції над змінними, котрим ставлять у відповідність електричні сигнали, що можуть, як і змінні, приймати лише два значення. Такими сигналами можуть бути присутність напруги не менше заданої величини або відсутність її (останньому поняттю відповідає припущення, що напруга не перевищує деякої заданої достатньо малої величини). Ці сигнали, що визначаються рівнем напруги називаються потенціальними, а схеми, що їх використовують - потенціальними логічними схемами. Логічним змінним можуть відповідати також наявність або відсутність тактового імпульсу у визначені моменти часу. Такі сигнали і логічні схеми, що їх використовують, називають імпульсними. Якщо прийнято, що високий рівень сигналу відповідає логічній одиниці “1”, а низький логічному нулеві “0”, то така логіка називається додатньою, в протилежному випадку говорять про від’ємну логіку.
Основні (базові) логічні елементи показані на рис.1.
 |
логічний елемент "І" (AND);
логічний елемент "АБО" (ОR);
логічний елемент "Виключаюче АБО" (ХОR);
логічний елемент "НІ" (Інвертор) (INV);
логічний елемент "АБО-НІ" (NOR).
Рис 1. Умовні позначення логічних елементів.
В даній лабораторній роботі при дослідженні базових елементів булевої логіки використовують логічні елементи потенціального типу на біполярних транзисторах (мікросхема К155ЛАЗ).
Існує декілька простих логічних функцій, які можна реалізувати відповідно з допомогою декількох логічних схем:
а) логічне заперечення (інверсія, операція "НІ") полягає в отриманні змінної, що протилежна до даної, У = ā
б) логічне додавання (диз'юнкція, операція "АБО") полягає в тому, що функція приймає значення рівне 1, якщо хоча б один з аргументів рівний 1, У = a v b
в) логічне множення (кон'юнкція, операція "І") полягає в тому, що функція приймає значення рівне 1, якщо всі аргументі одночасно рівні 1, У= a ^ b
г) заперечення кон’юнкції (штрих Шеффера, операція "І-НІ"), яка містіть в собі логічне множення і заперечення, У= ā
д) заперечення диз'юнкції (стрілка Пірса, операція "АБО-НІ”), яка містить в собі логічне додавання і заперечення, У = ā
Логічні схеми, що реалізують останні дві функції, мають дві частини: перша являє собою схему, котра реалізує функцію множення і додавання, друга являє собою інвентор, побудований в простішому випадку на одному транзисторі. В зв'язку з тим, що з допомогою штриха Шеффера або стрілки Пірса можна вирішити будь-яку логічну задачу (обидві ці функції володіють необхідною і достатньою функціональною повнотою) за допомогою логічної схеми одного лише типу "І-НІ" чи "АБО-НІ можна повністю побудувати будь-який цифровий пристрій. Тому в інтегральному виконанні найбільше розповсюдження знаходять ці два види логічних схем. Зустрічаються логічні елементи на біполярних транзисторах, що являють собою об'єднання двох попередніх схем; їх входи розділені на частини - всередині кожної частини виконується операція "І", а між частинами операція "АБО" з подальшою операцією "НІ" (логічні елементи "I-АБО-НІ). Такі схеми дозволяють економити число інвенторів, що важливо з точки зору зменшення споживаної потужності, зменшення завад, що генеруються схемою при перемиканнях, збільшення швидкодії.
В Інтегральній техніці знайшли застосування декілька типів основних логічних схем, які відрізняються елементами, що реалізують логічну операцію "1" чи "АБО", а також методом зв'язку між схемами в послідовних колах. Найбільшого поширення при виготовленні елементів малої і середньої степені інтеграції набула транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ). Елементи ТТЛ характерні тим. що з для зменшення впливу ємнісного навантаження (тобто з для підвищення швидкодії) вхідне коло таких елементів виконується на основі багатоемітерного транзистора по схемі з спільною базою, який має низький вхідний опір. В таких схемах необхідно, щоб коло, яке є генератором для багатоемітерного транзистора, при відключенні останнього було низькоомним і забезпечувало б швидке розсмоктування неосновних носіїв, накопичених в базі багатоемітерного транзистора. Для цього вихідний каскад попереднього однотипного елементу повинен бути достатньо потужним і низькоомним. Схема типового базового елемента ТТЛ представлена на рис 2. Даний елемент реалізує функцію "І-НІ в додатній логіці і функцію "АБО-НІ у від'ємній логіці, причому на транзисторах VТ2–VТ4 реалізовано складний інвентор, який здійснює операцію "НІ". Таке схемне рішення дозволило забеспечити високу навантажувальну здатність, достатню швидкодію і завадостійкість схеми, оскільки струм в закритому стані схеми створюється малим вихідним опором емітерного повторювача, зібраного на транзисторі VТЗ. а у відкритому стані струм, що поступає в схему, забезпечується малим вихідним опором відкритого транзистора VТ4.
Якщо на всі входи багатоемітерного транзистора VТ1 подані напруги, що відповідають рівню логічної одиниці, то струм через резистор НІ тече в базу транзистора VТ2, а потім підсилений струм з емітера VТ2 поступає в базу вихідного інвертуючого транзистора VТ4, відкриваючи його; при цьому транзистор VТЗ буде закритий і напруга на виході буде відповідати рівню логічного нуля. Якщо хоча б на одному вході багатоемітерного транзистора появиться вхідна напруга, що відповідає рівню логічного нуля, то відкриється відповідний перехід база-емітер, багатоемітерний транзистор перейде в стан насичення і потенціал його колектора стане близьким до нуля. Тобто. VТ2 закриється, VТЗ відкриється, а на виході схеми встановиться напруга, яка відповідає рівню логічної одиниці.
 |
 |
Рис. 2. Базова схема елемента "І–НІ" ТТЛ схеми з резистором в колекторі вихідного транзистора (а) і її умовне позначення (б).
Для збільшення логічних можливостей ТТЛ-схем до виводів від точок 1 і 2 інвертора під'єднується логічний розширювач (рис.2,а); при цьому реалізується логічна функція "І-АБО-НI”:
a) б)
Рис.2. Логічний розширювач (а) і умовне графічне позначення логічної схеми “І – АБО – НІ” (б).
Поняття додатньої і від'ємної логіки. В додатній логіці лог. " 1" відповідає високий рівень цифрового сигналу, лог. "О" - низький рівень. Тому один і той самий елемент наприклад мікросхеми К155ЛАЗ відповідає двом логічним функціям, в нашому прикладі це функція "І-НГ для додатньої логіки і - "АБО-НI для від'ємної логіки.
Основні електричні параметри базових логічних елементів (ЛЕ) визначають характеристики практично всіх мікросхем, що входять до конкретної серії, і визначають можливість сумісної роботи мікросхем різних серій в складі апаратури. До таких параметрів відносяться:
· швидкодія;
· споживна потужність (РСП);
· завадостійкість (Uзв);
· коефіцієнт розгалуження по виходу (навантажувальна здатність) (КРОЗ);
· коефіцієнт об'єднання по входу (КоБ).
Швидкодія визначається динамічними параметрами цифрових мікросхем, до яких відносяться:
· t 0,1 – час переходу їз стану низького рівня в стан високого рівня;
· t 1,0ЗТР – час затримки розповсюдження при включенні;
· t 1,0ЗТ – час затримки включення;
· t 0,1 ЗТ – час затримки виключення;
· t 0,1ЗТР – час затримки розповсюдження сигналу при виключенні;
· tЗТРСР – середній час затримки розповсюдження сигналу;
· tі – тривалість імпульсу;
· Fр - робоча частота.
Середній час затримки розповсюдження t ЗТРСР = 0,5 (t1,0ЗТР + t0,1ЗТР ) є усередненим параметром швидкодії, що використовується при розрахунку часових характеристик послідовно включених цифрових мікросхем. В довідникових даних найбільш часто приводяться наступні динамічні параметри цифрових мікросхем: t1,0зт, t0,1зт, t1,0зтр, t0,1зтр.
На рис.3. показані рівні відліків, відносно яких визначаються вказані динамічні параметри.
Рис.3. Рівні відліків цифрового сигналу, відносно шасе визначаються динамічні параметри цифрових мікросхем.
Потенціальні логічні елементи при роботі в складі цифрового пристрою можуть знаходитись в статичному режимі (в стані "0" або "1") чи в динамічному режимі (перехідний процес). В залежності від виду технології, по якій виконано ЛЕ, потужність, споживана від джерела живлення, різна для кожного стану. Одні елементи споживають більшу потужність в статичному режимі, яка лише незначно збільшиться в момент перемикання, другі навпаки, характеризуються значним зростанням споживаного струму під час перемикання.
Середня споживана потужність логічних елементів в статичному режимі :