И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Это логический элемент[26], реализующий отрицание логического сложения (функция Пирса) или, что в конечном результате равнозначно, реализующий произведение отрицаний; запишем это следующим образом:

Следовательно, это элемент, представляющий собой соединение двух функций, отсюда название ИЛИ — НЕ. Элемент ИЛИ — НЕ дает на выходе единицу тогда и Только тогда, когда на обоих входах присутствует сигнал 0. Это можно представить в виде табл. 12.5.

Графическое изображение элемента типа ИЛИ — НЕ показано на рис. 12.6. Как следует из записи функции, элемент ИЛИ — НЕ можно реализовать соединением элементов ИЛИ и НЕ либо соединением двух элементов НЕ с элементом И (рис. 12.7). Более того, можно показать, что при использовании элементов ИЛИ — НЕ удается реализовать любую переключающую функцию. Примеры практических решений элементов типа ИЛИ — НЕ приведены на рис. 12.10, в, 12.11.

Рис. 12.6. Условное графическое обозначение элемента ИЛИ — НЕ

Рис. 12.7. Функция И при использовании элементов типа ИЛИ — НЕ

Это элемент, реализующий отрицание логического умножения (функцию Шеффера) или, что равнозначно в конечном результате, сумме отрицаний. Запишем эту функцию следующим образом:

Следовательно, это логический элемент, представляющий собой соединение двух функций, отсюда название И — НЕ. Из выражения следует, что элемент И — НЕ имеет на выходе сигнал 0 тогда и только тогда, когда оба входных сигнала имеют значения 1. Это можно свести в табл. 12.6.

Графическое изображение элемента И — НЕ представлено на рис. 12.8. Как следует из записи функции, элемент И — НЕ можно реализовать, соединив элемент И с элементом НЕ или два элемента НЕ с элементом ИЛИ. Применение элементов И — НЕ позволяет реализовать любые переключающие функции. Пример практического решения элемента И — НЕ приведен на рис. 12.10. б.

Рис. 12.8. Условное графическое обозначение элемента И — НЕ

Простейшие логические элементы представляют собой основные схемы, входящие в сложные функциональные логические схемы, реализующие часто очень сложные функции. Такие схемы называются комбинационными логическими схемами. Реализация схемы, выполняющей определенное задание, т. е. определенную логическую функцию, обычно возможна в различных вариантах, отличающихся числом и типом используемых логических элементов. Например, как уже указывалось выше, даже реализация элементов ИЛИ — НЕ возможна в двух вариантах. Очевидно, что следует стремиться к тому, чтобы техническая реализация была проще и требовала наименьшего количества логических элементов. Такой процесс, включающий, в частности, упрощение алгебраической записи реализуемой логической функции и называемый процессом минимизации, проводится на этапе проектирования сборки с использованием прежде всего преобразований, следующих из булевой алгебры, например таких, как

— (сравните элемент ИЛИ — НЕ);

— (сравните элемент И — НЕ);

х·у + х·z = х·(у + z).

В процессе преобразования и упрощения логических функций часто пользуются законами коммутативности, ассоциативности и дистрибутивности, которые обязательны также и в булевой алгебре Кроме того, при реализации сложных функций часто удобнее пользоваться так называемыми картами Карно, являющимися графическим представлением произведений всех комбинаций имеющихся переменных. В частности, логические элементы используются для создания матричных схем, служащих для преобразования кодов, триггеров и разных схем, выполняющих сложные функции, например таких, как калькуляторы, цифровые машины, генераторы различных сигналов, электромузыкальные инструменты, электронные часы, измерительные приборы.

Определение «вентиль» или «логический вентиль» в принципе относится к элементу И. Часто это название используется совсем для других логических элементов и схем, работающих в двоичной системе с двумя определенными уровнями сигналов. Иногда вентилем называют схему, в которой сигнал появляется на выходе только при подаче запускающего импульса. В общем случае схема вентиля может иметь больше двух входов.

Существует много возможностей, зависящих от типа логической схемы и электронных элементов, которые выбраны для применения.

В простейшем случае используются диодные логические схемы, сокращенно обозначаемые ДЛ. Используются также диодно-транзисторные схемы (ДТЛ), транзисторно-транзисторные (ТТЛ), резистивно-транзисторные (РТЛ) и др.

От используемой технологии зависят переключающие свойства логической схемы, ее стоимость, надежность. Логические схемы чаще всего выполняют в виде интегральных микросхем, содержащих на одном кристалле по меньшей мере несколько логических элементов. Цифровые интегральные микросхемы, выпускаемые в ПНР и содержащие различные комплекты вентилей, обозначаются как UCY, например UCY7400, UCY74-A10N[27]

Как уже подчеркивалось, полупроводниковые элементы, используемые в логических схемах, работают в двух состояниях: включено либо выключено. Состояние «Включено» обычно соответствует области насыщения полупроводникового элемента, а состояние «Выключено» — области отсечки. Изменение состояний, (переключение) происходит скачком под воздействием внешних сигналов, представляющих уровень, соответствующий 1 или 0. Преимуществом полупроводникового элемента как переключающего элемента является очень малое внутреннее сопротивление, недостатком — инерционность, вызывающая задержки в отклике на быстрое изменение уровня в подводимом сигнале, связанное с происходящими в полупроводнике процессами.

Диодные логические схемы отличаются большой простотой. На рис. 12.9, а представлена схема элемента И. Если хотя бы на одном из входов имеется сигнал 0, то соответствующий диод смещается в прямом направлении. Через резистор протекает ток и выходное напряжение имеет низкий уровень, близкий к 0. Аналогично и в случае, когда оба входных сигнала являются нулями. Если на обоих входах присутствует сигнал 1, оба диода заперты и выходной уровень становится высоким, т. е. случай сигнала логической 1.

На рис. 12.9, б представлена схема элемента типа ИЛИ с тремя входами. Выходной сигнал, соответствующий логической 1, получается в том случае, когда по крайней мере один из входных сигналов х, у, z имеет значение 1. В других случаях через сопротивление не протекает ток и падение напряжения равно 0, а следовательно, выходной сигнал элемента ИЛИ соответствует логическому 0.

Рис. 12.9. Диодные логические схемы И — HЕ (а) и ИЛИ (б)

На рис. 12.10, а представлена транзисторная схема с непосредственной связью (гальванической), выполняющая функцию элемента типа НЕ. Транзистор работает по схеме ОЭ, инвертирующей фазу сигнала на 180°, благодаря чему z = х.

На рис. 12.10, б показана транзисторная схема, выполняющая функцию И — НЕ, на рис. 12.10, в — схема, выполняющая функцию ИЛИ — НЕ. Принцип работы обеих схем очень простой и не требует объяснения.

Достоинствами ТЛ-схем являются большая простота, высокое быстродействие, малое количество элементов. Недостатком — прежде всего необходимость подбора транзисторов с малым разбросом параметров, а также большее время выключения, особенно время ts.

Рис. 12.10. Транзисторные логические схемы, выполняющие функции НЕ (а), И — НЕ (б) и ИЛИ-HE (в)

В диодно-транзисторных решениях схемы элементов типа И, ИЛИ реализуются как диодные, схемы элементов типа НЕ — как транзисторные и лишь схемы элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ — как состоящие из диодов и транзисторов.