Базовые элементы цифровой и импульсной техники.

Логические элементы, могут быть выполнены в виде интегральных схем (ИС). Интегральные схемы имеют значительное преимущества перед схемами на дискретных элементах по габаритам, потребляемой мощности и стоимости. В одном корпусе ИС может быть размещено большое количество логических элементов при условии незначительной величины потребляемой мощности.

Транзисторы как элементы цифровой логики

Транзисторы являются базовыми элементами большинства ти­пов ИС. Они используются и как дискретные элементы при со­пряжении логических устройств. При изготовлении ИС применяют два основных вида транзисторов: биполярные транзисторы и полевые МОП-транзисторы.

Биполярные транзисторы бывают двух типов: р—п—р и n— р— n. Как логический элемент транзистор может находиться либо в открытом (проводящем) состоянии, либо в закрытом (не­проводящем) состоянии. Транзистор р—п— р типа закрыт, если его база (Б) имеет более положительный потенциал, чем потенциал эмиттера (Э), и открыт, если потенциал базы более отрицатель­ный, чем потенциал эмиттера. На коллектор (К) подается отрица­тельное напряжение по отношению к эмиттеру. Тогда ток (движе­ние положительных зарядов) в данном транзисторе имеет направ­ление от эмиттера к коллектору. Величина напряжения база — эмиттер, необходимая для переключения транзистора из закрытого в полностью открытое состояние (состояние насыщения), колеб­лется в пределах от -0,1 до -0,7 В, Транзистор п—р— п типа закрыт, если его база имеет более отрицательный потенциал, чем эмиттер, и открыт, если потенциал базы более положительный, чем потенциал эмиттера. На коллектор подается положительное напряжение относительно эмиттера, и ток в этом транзисторе про­текает от коллектора к эмиттеру. Величина напряжения база— эмиттер, необходимая для переключения транзистора из закрытого состояния в открытое, составляет 0,1—0,7 В.

Одной из возможных схем включения биполярного транзисто­ра является схема с общим эмиттером (рис. 2.14). Напряже­ние En меньше или больше нуля для р—п—р и п—р— n транзисторов соответственно. При такой схеме включения сигнал логической переменной А, подаваемый на вход, преобразуется на выходе в , и таким образом схема реализует операцию инвертирования. Отри­цательное напряжение, подаваемое на вход данной схемы, откры­вает р—п— р транзистор, положительное напряжение п—р—п транзистор. При подаче на БАЗУ транзистора напряжение высокого уровня, что соответствует логической ЕДИНИЦЕ, транзистор закрывается, ток от эмиттера к коллектору не течет, на выходе логический НОЛЬ.

Рис. 2.14. Включение биполярного транзистора по схеме с общем эмиттером.

При отсутствии потенциала на базе транзистора, ток течет от эмиттера к коллектору на выходе ЕДИНИЦА.

Полевые МОП - транзисторы, относящиеся ко второй важной группе транзисторов также бывают двух типов: р- и п- канальные. Электронный ключ, собранный на р - канальном МОП -транзисторе, закрыт, если потенциал затвора (3) более положи­тельный, чем потенциал истока (И), и открыт, если потенциал затвора более отрицательный. На сток (С) по отношению к истоку подается отрицательное напряжение, ток в транзисторе течет от истока к стоку.

В n - канальном МОП - транзисторе потенциал затвора, более отрицательный по сравнению с потенциалом истока, закрывает транзистор, а более положительный - открывает. На сток отно­сительно истока подается положительное напряжение, ток в тран­зисторе направлен от стока к истоку. Подложка транзистора обычно электрически соединяется с истоком.

На рис. 2.15 показано включение р- или n -канального МОП - транзистора по схеме с общим истоком. Данная схема аналогична схеме включения с общим эмиттерам для биполярного транзисто­ра (рис. 2.14) и также реализует операцию инверсии логической переменной А. Как и в случае биполярного транзистора, р- и n – канальные полевые транзисторы обладают свойством двойственно­сти.

Рис. 2.15. Инвертор на р – канальном МОП – транзисторе (схема с общим истоком).

Данная схема работает аналогично выше описанной схеме на биполярном транзисторе.

Диодно-транзисторная логика

Схемы диодно-транзисторной логики (DTL) являются наибо­лее известным классом логических схем. Эти схемы, как следует из названия, состоят из диодов и биполярных транзисторов. Базо­вым элементом диодно-транзисторной логики является схема И-НЕ (рис. 2.16).

Принцип работы такой схемы заключается в сле­дующем. Если входы А и В находятся в состоянии 1, то ток, про­текающий от Ek через R1 и R2, открывает транзистор Т1. Ток, про­ходящий через R1 и T1, открывает Т2, и таким образом на выходе схемы устанавливается низкий потенциал. Если А, или В, или оба входа находятся в состоянии 0, то ток протекает через R2 на «землю» и T1 закрыт. Следовательно, T2 также закрыт и на выхо­де устанавливается высокий потенциал. Описанная схема выпол­няет операцию И-НЕ для положительной логики. Схема, нагру­женная на вход А или В и переключающая этот вход в состоя­ние 0, должна «отбирать» ток, протекающий через R2. Поэтому этот тип логических схем называется схемой с отбором тока.

Максимально возможное количество входов схемы называется коэффициентом объединения по входу. Аналогичным образом ко­эффициент разветвления по выходу— это максимально возможное количество входов схем того же типа, которое может переключать выход данной схемы. Обычно коэффициент объединения по входу у DTL-схем £10, а коэффициент разветвления по выходу равен 8. Номинальное напряжение питания Еk=5В, потребляемая мощ­ность 10 мВт/элемент, задержка переключения ~ 30 нс/элемент. На входе схемы напряжения , и есть соответст­венно 1,2 и 2,0 В. На выходе схемы и имеют значения 0,45 и 2,6 В.

При рассмотрении любого типа логических схем необходимо учитывать защищенность схемы от воздействия помех. Защищен­ность схемы связана с двумя важными факторами — помехоустой­чивостью и уровнем наводимой помехи. Помехоустойчивость схемы определяется величиной сигнала помехи, который, накладываясь на входной логический сигнал, вызывает ошибочное переключение схемы. Относительно второго фактора известно, что (помехи наво­дятся в основном через шины питания при переключении логиче­ских схем. DTL-схемы обладают хорошей помехоустойчивостью и средним по величине уровнем наводимых помех.

Триггеры

Триггер - одноразрядный эле­мент памяти, предназначенный для хранения логической перемен­ной (бистабильная ячейка с двумя устойчивыми состояниями). Его схема в отличие от комбинационных схем, рас­смотренных в предыдущем разделе, является последовательностной, т. е. такой схемой, в которой текущие значения выходов за­висят не только от текущих значений входов, до и от работы схемы до текущего момента.

Последовательностные системы выполняют систематические последовательности действий, синхронизуемые управляющим сигналом, называемым тактовым. Генера­тор тактовых импульсов - устройство, генерирующее серию пооче­редно появляющихся нулей и единиц (последовательность импуль­сов). Время одного полного цикла так­тового сигнала называется периодом. Частота тактовых сигналов является величиной, обратной периоду. Для генерации тактовых сигналов обычно используется нестабильный мультивибратор, ра­ботающий на частоте нескольких Мгц.

Триггер является основным компонентом более сложных последовательностных устройств, таких, как счетчики, сдвиговые реги­стры и регистры памяти, которые в свою очередь являются базо­выми для микро-ЭВМ. Хотя известно много разновидностей триггеров, их основу составляет несколько простых схем.

RS -триггер

Таблица 2.7

S	R	Q*
		Q
		Не определено

Синхронный триггер

Триггеры типов JK, D и T

Таблица 2.8.

J	K	Q*		D	Q*		T	Q*
		Q
(а)		(б)		(в)

Рис. 2.24. Триггеры распространенных типов, получаемые из двухтактного RS - триггера (а) JK – триггер, (б) D – триггер (в) T – триггер.

Примеры JK-триггеров

Рис. 2.25. Логическая структура микросхемы ТВ1.

Пример D­–триггера

Рис. 2.27. Логическая структура микросхемы ТМ2

Таблица 2.9.

tп	t+1
Выходы	Входы	Выходы
		J	K

Триггеры, переключаемые фронтом синхроимпульса

Таблица 2.10.

J	K	Q	D

Рис 2.28. Переключаемый фронтом JK – триггер.

Дата добавления: 2015-07-25