Схемная реализация логических функций

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• схемы, реализующие простейшие логические операции на биполярных и полевых транзисторах;

уметь

• оценивать качество работы логических элементов на биполярных и полевых транзисторах с точки зрения надежности и быстродействия;

владеть

• методикой оценки уровней логических «нуля» и «единицы» для простейших ключевых схем.

Ключевые схемы. Позитивная и негативная логики

Вся цифровая схемотехника базируется на схемах, которые могут иметь два четко различимых состояния. Такие схемы называют ключевыми ввиду их аналогии с механическим ключом (замкнут или разомкнут). Ключ считается идеальным, если его резистивное сопротивление в замкнутом положении равно нулю, а в разомкнутом — бесконечности.

Выполняемая устройством логическая функция может быть определена однозначно только при условии принятия конкретных правил соответствия между состоянием схемы (на входе и на выходе) и значениями логических величин (аргументов и функции). Например:

• 1) замкнутый ключ —? х = 1; разомкнутый ключ —³? х = 0;
• 2) высокий уровень и_вых —*у = 1; низкий уровень и_вых —> у = 0.

Принятые нами правила, когда высокому уровню напряжения соответствует «единичное» значение логической величины (у = 1), а низкому уровню — «нулевое» значение (у = 0), называют позитивной логикой. Применяется также и негативная логика. Ее положения таковы:

• 1) замкнутый ключ —? х = 0;
• 2) разомкнутый ключ —³? х = 1;
• 3) высокий уровень и_вых —*?*/ = 0;
• 4) низкий уровень и_вых —? у = 1.

Роль ключей в цифровой схемотехнике обычно выполняют полупроводниковые приборы — диоды, биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Замкнутое или разомкнутое (условно) состояние этих ключей достигается величиной и полярностью управляющего напряжения.

Полупроводниковые ключи не являются идеальными (их резистивное сопротивление в замкнутом положении не равно нулю, а в разомкнутом не равно бесконечности). Однако их быстродействие по сравнению с механическими ключами несоизмеримо выше.

При оценке качества реального ключевого устройства важными характеристиками являются уровни входных сигналов, на которые данное устройство реагирует как на логический «нуль» или логическую «единицу», а также допустимые пределы их изменения:

• 1) и°_вхтвх — наибольшее допустимое значение напряжения на входе, воспринимаемое как логический «нуль»;
• 2) Wy_Xmin — наименьшее допустимое значение входного напряжения, которое воспринимается как логическая «единица». Величины и°_вхтвх и w*_xmin обуславливают требования к реальным уровням сигналов и°_вх и и_х, подаваемым на вход ключа, а именно: и°_пх < м°_хтах; м|_1Х > и¹_ВХП11П.

Разность (u°_mw — и⁰) обозначается как S° и называется запасом помехоустойчивости для логического «нуля». Разность (и_вх — u_BXmin) обозначается как S' и называется запасом помехоустойчивости для логической «единицы». Таким образом,.

К параметрам ключевой схемы относятся также и уровни выходных напряжений, соответствующих логическому «нулю» и°_иых и логической «единице и*_ых.

Среди ключевых полупроводниковых схем особое положение ввиду своей значимости занимают схемы, осуществляющие логическую операцию у = х («НЕ»), — инверторы. Простейшие инверторы на биполярном и на полевом транзисторах могут быть построены по схемам с общим эмиттером (см. параграф 19.2) и с общим истоком (см. параграф 19.4). Принципы их действия во многом аналогичны.