Типовые фрагменты цепей

Вторым важным вопросом, освещающим работу логических цепей с общих позиций, является вопрос о типовых фрагментах цепей, часто встречающихся в конкретных сериях ИМС.

Типовые фрагменты логических цепей будем строить, ориентируясь на реально существующие схемные компоненты. В полупроводниковой электронике в качестве ключей используются диоды и транзисторы. Между ними имеется существенное различие: диоды не имеют управляющего входа, у транзисторов он есть.

Диод служит ключом, управляемым самим сигналом. В зависимости от полярности сигнала ( или направления тока в цепи ) диод можно представить в виде замкнутого или разомкнутого участка цепи. В данном рассмотрении свойства диода идеализируем: прямое сопротивление считаем нулевым, обратное - бесконечно большим.

Транзисторы имеют управляющий электрод (базу, затвор) воздействие на который определяет состояние ключа (замкнут или разомкнут). Роль прерывателя при этом играет участок между коллектором и эмиттером (или между стоком и истоком). Диодные логические элементы выполняются в двух вариантах: с общими катодами (базами) или с объединенными анодами (эмиттерами): рис.

U_п

Нагр.

U_x₁

U_xn y

Нагр.

Вых

U_x₁y

Нагр.

Вых

U_xn

а) б)

В схеме с объединенными базами отпирается диод, на эмиттере которого действует наибольшее напряжение (или несколько диодов, находящихся в одинаковых условиях). При этом через проводящий диод (или диоды) наибольшее напряжение проходит на выход цепи и одновременно запирает те диод, на эмиттерах которых более низкое напряжение. Следовательно, цепь выполняет операцию выделения максимума из множества входных сигналов, что для положительной логики соответствует операции “ИЛИ”.

В схеме с объединенными эмиттерами прежде всего отпирается диод входа с наименьшим напряжением. После этого наименьшее напряжение через проводящий диод (или диоды) подключается к выходу цепи и одновременно запирает все другие диоды, напряжение на базах которых выше. Таким образом цепь выполняет операцию выделения минимума из множества выходных сигналов, что для положительной логики означает выполнение операции “И”.

Цепи с управляемыми ключами можно разделить на два класса: формирующие входные сигналы (стандартные уровни напряжений) и прерывающие (замыкающие) участки цепи.

Управляемые (транзисторные) ключи независимо от типа транзистора (биполярный или полевой) обозначим: либо с указателем сигнала, замыкающего ключ (Н – если ключ замыкается высоким уровнем сигнала и L – если ключ замыкается низким уровнем).

Упр Упр

1 2 Н

Ключи, замыкаемые сигналом Н, реализуются биполярными транзисторами типа n-p-n и МОП – транзисторами с n – каналом.

Ключи, замыкаемые сигналом L, реализуются биполярными транзисторами типа p-n- p и МОП – транзисторами с p – каналами.

.Простейший ЛЭ, формирующий сигнал, - инвертор образуется последовательным соединением ключа и нагрузочного элемента (в частном случае - резистор):

В более сложных ЛЭ применяются последовательные, параллельные, смешанные последовательно – параллельные и мостовые соединения ключевых элементов.

При последовательном соединении ключей: участок между выходом цепи и общей точкой замыкается, когда замкнуты все ключи. Следовательно, нулевое значение выходного сигнала формируется лишь при единичном значении все входных сигналов, что соответствует операции И – НЕ.

При параллельном соединении ключей: участок между выходом и общей точкой замкнется при замыкании хотя бы одного ключа, а разомкнется только при размыкании всех ключей. Значит, единица на выходе схемы сформируется лишь при нулевых значениях всех входных сигналов, что соответствует операции ИЛИ-НЕ.

Цепь, изображенная на рис.

Выполняет операцию ИЛИ-И-НЕ:

Цепь, изображенная, на рис.:

Выполняет операцию:

Мостиковая цепь выполняет операцию:

В некоторых ЛЭ одновременно применяются ключи, замыкаемые разными уровнями сигнала, что позволяет, в частности, исключать из схем нагрузочные резисторы и строить ЛЭ лишь на ключах. Это дает ряд преимуществ, которые рассмотрим позже.

В инверторе, состоящем из двух таких ключей, при единичном значении входа замкнут нижний ключ и разомкнут верхний, выходное напряжение равно нулю, т.е. .

На рис. верхняя часть представлена последовательным соединением ключей, замыкаемых низким уровнем L, нижняя часть – параллельным соединением ключей, замыкаемых высоким уровнем Н. При этом, если хотя бы один из входных сигналов будет единичным – участок между выходом и источником питания окажется разомкнутым, участок между выходом и общей точкой – замкнутым, выходной сигнал – нулевой. И только при всех нулях на входах верхний участок замкнется, а нижний разомкнется, т. е. выходной сигнал станет единичным (операция ИЛИ – НЕ ).

Рассмотрим один из возможных способов проектирования ЛЭ из ключей, замыкаемых различными уровнями сигнала, иногда называемый классическим. В таких ЛЭ всегда можно выделить два двухполюсника, каждый из которых построен из однотипных ключей. Эти двухполюсники включаются последовательно между источником питания и общей точкой, причем средняя точка служит выходом:

;

Ключи в двухполюсниках включены так, что при любой комбинации входных сигналов проводит ток один из двухполюсников и только он.

Структура А соответствует функции: получаемой из воспроизводимой . Структура B соответствует функции: , т.е. инвертированной .

На управляемых ключах строятся не только логические элементы, формирующие сигналы в виде напряжений, но и контактные цепи, осуществляющие замыкание – размыкание каких-либо участков схемы под воздействием входных переменных:

Эквивалентный ключ S состоит из отдельных ключей и может представлять собой более или менее сложную сеть. Например, схема:

Пусть замыкание участка 1-2 означает единичное замыкание функции Y=1; размыкание: Y=0. Тогда: .