Логические элементы на диодах и биполярных транзисторах.

Логические элементы предназначены для выполнения различных логических (функциональных) операций над дискретными сигналами при двоичном способе их представления.

Преимущественное распространение получили логические элементы потенциального типа. В них используются дискретные сигналы, нулевому значению которых соответствует уровень низкого потенциала, а единичному значению – уровень высокого потенциала (положительного или отрицательного). Связь потенциального логического элемента с предыдущим или последующим узлами в системе осуществляется непосредственно без применения реактивных компонентов. Потенциальные логические элементы нашли применение в интегральном исполнении в виде микросхем.

Логические биполярные микросхемы чаще выполняют на транзисторах типа n-p-n с напряжением питания Ek > 0. Поэтому используемые в них сигналы имеют положительную полярность. Уровню высокого потенциала «1» соответствует закрытое состояние транзистора, а уровню низкого потенциала «0» - его открытое состояние. Процесс перехода транзистора из одного состояния в другой обычно принимается мгновенным.

Логический элемент ИЛИ.

                                        рисунок 8.3

  Логический элемент ИЛИ имеет несколько входов и один общий выход и выполняет операцию логического сложения (дизъюнкции). F=х₁+х₂+х₃+…+х_n, где F – функция, х₁+х₂+х₃+…+х_n  - аргументы. Здесь функция F=0 когда все аргументы равны 0 и F=1 при одном, нескольких или всех элементах равных единице (рисунок 8.3).

  Наиболее просто элемент ИЛИ реализуется на диодах. Значение F=1 на выходе создаётся передачей входного сигнала вследствие отпирания соответствующего диода. К диодам, для которых входной сигнал равен «0», прикладывается обратное напряжение с резистора R и они находятся в закрытом состоянии.

  На практике возможны случаи, когда число входов используемого элемента ИЛИ превышает количество входных сигналов. Тогда неиспользуемые входы заземляют, чем исключают возможность прохождения через них различных помех.

Логический элемент И.

                                                рисунок 8.4

  Логический элемент И выполняет операцию логического умножения (конъюнкцию) F=х₁·х₂·х₃·…·х_n. Здесь F=0 когда хотя бы один из аргументов равен «0». F=1 когда все аргументы равны «1» (рисунок 8.4).

  Схема «И» на диодах работает следующим образом. При всех входных сигналах равных «1» на катодах диодов имеется положительный потенциал относительно общей точки и все диоды закрыты. На выходе схемы создаётся напряжение  и F=1. При нулевом значении сигнала, хотя бы на одном из входов, соответствующий диод будет проводить ток, и шунтировать R₂, выполняющий роль нагрузки. Напряжение на выходе при этом равно падению напряжения на открытом диоде, то есть близки к нулю. F=0.

  В случае применения логического элемента И, имеющее число входов больше количества входных сигналов, неиспользуемые входы элемента соединяют с плюсом источника питания (подают сигнал логической «1»).

Логический элемент НЕ.

                                               рисунок 8.5

  Логический элемент НЕ имеет один вход и один выход. Он выполняет операцию инверсия (отрицание), в связи с чем, его часто называют логическим инвертором.

  Логический элемент НЕ представляет собой ключевую схему на транзисторе (рисунок 8.5). При Х=0  транзистор закрыт, напряжение U_кэ ≈Е_к, то есть F=1. При Х=1 транзистор открыт, U_кэ =0; F=0. Открытое состояние транзистора обеспечивается заданием тока базы, вводящего транзистор в режим насыщения.   

Логический элемент ИЛИ-НЕ.

    а)                         б)                       в)   

г)

                                              рисунок 8.6

  Условное обозначение логического элемента ИЛИ-НЕ на рисунок 8.6.а. Он объединяет элементы ИЛИ и НЕ с последовательностью, указанной на рисунок 8.6.б. Входным сигналом, равным «1», соответствует на выходе логический «0», а при нулевых сигналах на всех входах F=1. F=х₁+х₂+х₃+…+х_n.

  Схема логического элемента ИЛИ-НЕ (рисунок 8.6.г) представляет собой последовательное соединение элемента ИЛИ на диодах и элемента НЕ на транзисторе. Логические схемы подобного сочетания называются диодно-транзисторной логикой (ДТЛ).

8.2.5. Логический элемент И-НЕ.         

                                                    рисунок 8.7

  Логическая функция И-НЕ отвечает выражению: F=х₁·х₂·х₃·…·х_n

  Схема (рисунок 8.7) работает следующим образом. При «0» на одном из входов, например х₁, открывается VD1 и ток протекает по цепи Е_к – R_б – VD1 – X₁. Ток базы транзистора равен нулю, он закрыт и F=1. Поскольку напряжение на открытом диоде входной цепи и напряжение входа логического «0» реально больше нуля, то точка F имеет положительный потенциал относительно элиттера транзистора. В отсутствии VD3 и VD4 это может привести к отпиранию транзистора. При их введении, напряжение между точкойF и элиттером транзистора будет приложено к диодам, а напряжение U_бэ транзистора ≈ 0.

  На рисунок 8.8 приведена схема элемента И-НЕ на транзисторно-транзисторной логике. Основой этих элементов является использование многоэмиттерного транзистора VT2, который заменяет диодную часть элемента И-НЕ.

                                                    рисунок 8.8

                 Подобная замена технологически выгодна, т.к. изготовление многоэмиттерного транзистора в микросхемах не на много сложнее, чем изготовление обычного транзистора, а площадь, занимаемая многоэмиттерным транзистором в кристалле полупроводника меньше диодной части элемента И-НЕ ДТЛ. От обычного многоэмиттерный транзистор отличается наличием нескольких эмиттерных областей с общими для всего транзистора базовым и коллекторным слоями. Если, например, на входе х₁ нулевое напряжение, то ток замыкается по цепи Е_к – R – VТ2 – X₁. Ток базы VT1 равен нулю и транзистор VT1 закрыт, F=1. Так будет и при нулевом сигнале, и на большем количестве входов. При наличии на всех входах логической «1» (напряжения, близкого к Е_к) все эмиттерные переходы VT2 будут находиться под обратным напряжением, а коллекторный переход – под прямым. Через VT1 по цепи Е_к–R–VТ2-VT1 – земля протекает базовый ток, VT1 открывается, F=0.

  В общем корпусе выпускаемых микросхем обычно содержится несколько элементов одного типа.