Активный уровень сигнала только на одном из выходов дешифратора. Такой дешифратор

Комбинационными называют электронные устройства, состояние п выходов

которого в любой момент времени полностью определяется совокупностью логических

сигналов, присутствующих на т его информационных входах.

Среди комбинационных ЦЭУ, получивших разнообразное применение в

информационно-измерительной и вычислительной технике, известны такие устройства,

как дешифраторы и шифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, арифметические и

арифметико-логические устройства (АЛУ) и др.

Дешифратором (декодером) называют комбинационное устройство,

предназначенное для распознавания различных кодовых комбинаций сигналов на его

входах. В простейшем случае каждой кодовой комбинации на входах соответствует

активный уровень сигнала только на одном из выходов дешифратора. Такой дешифратор

может применяться, напримep, для управления работой нескольких исполнительных

механизмов. Тогда для включения одного из них на входы дешифратора достаточно

подать присвоенный этому механизму цифровой код.

В более общем случае каждой определенной комбинации на т входах

дешифратора соответствует n-элементный код на его выходах. Такие дешифраторы

иногда называют преобразователями кодов, Они широко используются в вычислительной

технике, а также в приборах с цифровой индикацией, например, для управления

индикаторами на светоизлучающих диодах. Поскольку десятичные цифры (от 0 до 9)

представляются 4-разрядным двоичным кодом, а стилизованные изображения всех

десятичных цифр в известных типах светодиодных индикаторов чаще всего составляют из

семи светящихся сегментов, такой дешифратор должен иметь 4 входа, 7 выходов и

распознавать первые десять из 16 возможных входных кодовых комбинаций.

Условное обозначение микросхем дешифраторов на корпусе ИС после номера ее

серии имеет буквы ИД.

Дешифратор один из n – комбинационная схема, обеспечивающая формирование

для n-входовой схемы активного сигнала только на одном из его выходов. Максимальное

количество выходов в дешифраторе может быть равным 2n. Уравнения истинности для

выходов дешифратора

3 0 1

2 0 1

1 0 1

0 0 1

X A A

X A A

X A A

X A A

= Ù

= Ù

= Ù

= Ù

На рисунке 65 приведен фрагмент схемы дешифратора, отражающий принцип

дешифрации двоичного кода.

Рисунок 65 – Схема, иллюстрирующая принцип построения дешифратора

Демулътиплексором называют __________комбинационное устройство с несколькими

выходами и управляющими входами, коммутирующие сигнал на единственном

информационном входе на один из выходов в соответствии с цифровым кодом на

управляющих входах. При циклическом переборе на управляющих входах всех

возможных кодовых комбинаций демультиплексор выполняет преобразование

последовательного двоичного кода на его информационном входе в параллельный код,

который возникает на выходах по окончании полного цикла этого перебора.

Демультиплексор имеет дополнительный информационный вход E. Состояние на

этом входе будет передаваться на выбранный выход в соответствии с комбинацией на

адресных взодах.

Мультиплексором называют комбинационное электронное устройство с одним

выходом, несколькими информационными и управляющими входами, логическое

состояние на выходе которого повторяет сигнал на одном из информационных входов в

соответствии с заданным цифровым кодом на управляющих входах. Иными словами,

мультиплексор коммутирует на свой выход сигнал входа, выбираемого при помощи

цифрового кода на управляющих входах. Если цифровой код на управляющих входах

поочередно принимает все возможные комбинации, состояние на выходе мультиплексора

последовательно (с частотой смены управляющих кодов) повторяет состояние всех его

информационных входов (режим мультиплексирования данных). Иногда говорят, что в

этом режиме мультиплексор выполняет преобразование параллельного двоичного кода на

информационных входах в последовательный код на его выходе.

Функции мультиплексора состоят в том, чтобы один из входных сигналов передать

на общий выход.

Рисунок 66 – структура и условное обозначение мультиплексора

Условное обозначение микросхем мультиплексоров на корпусе после номера серии

имеет буквы КП. Например, К555КП7 представляет собой ТТЛШ-мультиплексор,

содержащий три управляющих и 8 информационных входов (мультиплексор 8/1), прямой

и инверсный выходы, а также стробирующий вход Е, разрешающий работу мультип

лексора при низком активном уровне сигнала на этом входе. Выражение истинности для

выхода Y мультиплексора:

0 2 1 0 1 2 1 0 2 2 1 0 3 2 1 0 4 2 1 0 5 2 1 0 6 2 1 0 7 2 Y = D x x x + D x x x + D x x x + D х х х + D х х х + D х х х + D х х х + D х х Элементы и схемы последовательностной логики. Триггеры.

Регистры. Счетчики.__

Из ИНЕТА

Логические элементы и их электронные аналоги

1 1 1    

Функциональная таблица (таблица истинности) НЕ

А Q

0 0

0 1

то операция применяется в случаях, когда требуется иметь противоположные значения переменной. Противоположное значение переменной называется дополнением этой переменной Символически для НЕ оно обозначается чертой над соответствующей переменной величиной: А=Q.

 

В простейшем случае элемент НЕ инвертор - может быть выпол­нен на биполярном (или поле­вом) транзисторе с общим эмиттером (рис. 7, а). Когда на входе А действует сигнал 0, транзистор VT тока" не проводит и напряже­ние на выходе Q максимально, практически равно напряжению источника питания и соответствует сигналу 1. Если на входе действует положительное напряжение, соответствующее сигналу 1, транзистор VT (n - p - n-типа) отпирается, переходит в режим насыщения и напряжение на выходе Q снижается до уровня 0,1—0,3 В, соответствующее сигналу 0. Таким образом, схема инвертирует входной сигнал. У рассмотренной схемы НЕ много недостатков: малы быстродействие и нагрузочная способность и весьма низка помехоустойчивость. Поэтому на практике исполь­зуют более сложные схемы. В частности, на рис. 7, б приведена схема инвертора семейства ТТЛ на основе многоэмиттерного транзистора VT1. При напряжении логического 0 на входе А создаются условия для проте­кания тока в транзисторе VT1 только в цепи перехода эмит­тер-база (на рис. 7, б ука­заны два параллельно соеди­ненных эмиттера, работаю­щих как один), а переход коллектор-база закрыт, вслед­ствие чего нет тока в цепи ба­зы транзистора VT2 и он за­перт. При этом на его кол­лекторе имеется напряжение, близкое к напряжению ис­точника питания. Это напря­жение действует на базу тран­зистора VT3, что приводит к его полному отпиранию. В то же время транзистор VT4 заперт, поскольку на его базу не подается никакого напряжения, так как транзистор VT2 закрыт, ток через него не проходит и на рези­сторе R2 нет напряжения (которое могло бы открыть транзи­стор VT4). Таким образом, поскольку транзистор VT3 открыт, а VT4 закрыт, на выходе Q действует положительное напряжение, близкое к напряжению источника питания, что соответствует логической 1. Если на вход А подается напряжение логической 1, то переход эмиттер - база транзистора VT1 запирается, но создаются условия для протекания тока через его переход коллек­тор - база и тем самым для протекания тока через базу транзи­стора VT2, что приводит к его отпиранию и переходу в режим насыщения. При этом транзистор VT3 запирается (так как на коллекторе VT2 действует слишком низкое напряжение), а тран­зистор VT4 отпирается, так как на его базу подается с рези­стора R2 напряжение в положительной полярности. Таким обра­зом, через малое сопротивление открытого транзистора VT4 выход соединяется с общей шиной «землей» и напряжение на нем оказывается почти нулевым и схема работает как инвертор. Диод VD, включенный на вход А, защищает схему от перегрузки по входу.

Существенно повысить быстродействие инвертора и снизить расход энергии питания позволяет применение диодов Шоттки, включаемых параллельно переходу коллектор - база биполяр­ного транзистора (рис. 7, в). Такое соединение называется тран­зистором Шоттки и обозначается в электронных схемах, как пока­зано на рис. 7, в. Среднее время задержки сигналов в логических элементах ТТЛШ порядка 1,5 нс при средней потребляемой мощ­ности около 20 мВт на один логический элемент.

Применение МОП-транзисторов позволяет почти в 10 раз увеличить число активных элементов на кристалле интегральной микросхемы и более чем в 10³ раз уменьшить потребление энергии питания по сравнению с биполярными транзисторами. Однако почти в 10—20 раз уменьшается быстродействие (в первую оче­редь, из-за больших емкостей на входе и выходе транзисторов и очень высоких входных сопротивлений).

И нвертор на МОП-транзисторах с n-каналами может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 8, а. Транзистор VT1, на затвор которого подается напряжение в отпирающей поляр­ности, выполняет роль резистора (сопротивление которого может быть сделано любым - в пределах от сотен омов до сотен кило-омов - в зависимости от технологии изготовления и напряжения на затворе). Если на входе А действует сигнал 0, то транзистор VT2 закрыт и напряжение на выходе Q практически равно напря­жению источника питания, т. е. соответствует напряжению логи­ческой 1. Когда на вход А действует положительное напряжение, соответствующее напряжению логической 1, то транзистор VT2 открывается (его сопротивление при этом составляет всего 300 - 500 Ом) и напряжение на выходе Q становится весьма малым (де­сятые доли-единицы вольт), что соответствует логическому 0. Существенное повышение быстродействия (и снижение потребле­ния энергии питания) достигается при использовании комплиментарной пары КМОП-транзисторов.

С хема КМОП-инвертора приведена на рис. 8, б. Если на входе А схемы действует напряжение логического нуля, то тран­зистор VT1, имеющий р-канал, полностью открыт, поскольку его затвор при этом соединен с общим проводом и поэтому на него подается напряжение в отпирающей полярности относительно истока, соединенного с плюсом источника питания. Транзи­стор VT2 имеющий n-канал, заперт, вследствие чего напряжение на выходе Q максимально и соответствует напряжению логиче­ской 1. Когда на вход А подается положительное напряжение логической 1, то транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 полностью отпирается, вследствие чего напряжение на входе Q становится нулевым. Быстродействие этой схемы по сравнению с предыдущей существенно увеличивается благодаря тому, что заряд-перезаряд паразитных емкостей происходит через весьма малые сопротивления полностью открытых транзисторов VT1 и VT2. Потребление энергии питания снижается до уровня деся­тых долей микроватта на один элемент потому, что схема потреб­ляет ток, в сущности, только во время переключения, когда один транзистор открывается, другой закрывается. В остальное вре­мя — при 0 или 1 — всегда один из транзисторов закрыт и ток от источника питания не потребляется.

 

 

Рис. 7. Логический элемент НЕ, выполненный на обычном биполярном транзисторе (а); многоэмиттерном транзисторе с дополнительным усилителем (б); Транзистор Шоттки и его условное графическое изображе­ние в электронных схемах (в).

 

 

Рис. 8. Логический элемент НЕ, выпол­ненный на МОП-транзисторах с n-каналом (а), комплиментарной паре МОП-транзисторов с n- и р-каналами (б).

 

Логический элемент И – НЕ.

 

Б олее универсален элемент И-НЕ, позволяющий одновременно с операцией логического умножения выполнить и отрицание, тем более что в большинстве случаев это не усложняет схемы. Например, на рис. 9, а приведен МОП-вариант схемы логиче­ского элемента И-НЕ. Транзистор VT1 используется вместо сопро­тивления нагрузки и постоянно открыт, ибо на его затвор подается напряжение в отпирающей полярности. Если на затворы транзи­сторов VT2 и VT3 поданы напряжения логического 0, то они за­перты, тока не проводят и на выходе Q действует почти полное напряжение питания, т. е. напряжение логической 1. Если по­дается напряжение логической 1 только на один из входов А или В, то состояние схемы не изменяется и напряжение на выходе остается неизменным. Однако, если на оба входа действуют на­пряжения логических 1, то оба транзистора VT2 и VT3 отпираются, их внутреннее сопротивление уменьшается (до 500 - 1000 Ом) и напряжение на выходе Q также становится весьма малым, т. е. на выходе действует логический 0 - в полном соответствии с таб­лицей истинности И-НЕ (табл. 4.).

 

Таблица 4.

Функциональная таблица (таблица истинности) И-НЕ

A B Q

0 0 1

1 0 1

0 1 1

1 1 0

 

 

Н едостаток схемы - при подаче на входы A и В одновременно напряжений логических 1 схема потребляет ток от источника питания. Если же элемент И-НЕ выполнен на КМОП-транзисторах, то этого не происходит. В частности, на рис. 9, б дается схема подобного элемента. Транзисторы VT1 и VT2 имеют р-каналы, вследствие чего, когда на их затворах (входах A, В) дей­ствуют сигналы логических 0, они полностью открыты и на выходе Q имеется положительное напряжение логической 1. При этом транзисторы VT3 и VT4 полностью заперты, ибо имеют n-каналы. Когда на оба входа A, В одновременно действуют положительные напряжения логических 1, транзисторы VT1 и VT2 запираются и напряжение с выхода Q снимается. При этом транзисторы VT3 и VT4 отпираются и выход оказывается соединенным с общим про­водом через малое сопротивление (500 - 1000 Ом). Если на одном из входов действует напряжение логического 0, а на другом - напряжение логической 1, то один из транзисторов с р - каналом (VT1 или VT2) запирается, но другой остается открытым, и поскольку они включены параллельно, на выходе остается напря­жение логической 1. При этом один из транзисторов с n-каналом (VT3 или VT4) оказывается открытым; другой - закрытым, и, поскольку они включены последовательно, шунтирования выхода Q малым сопротивлением не происходит и напряжение на выходе оказывается высоким. Таким образом, сама схема тока не потребляет (разве что в те мгновения, когда происходит про­цесс ее переключения — но это, в среднем, доли микроватта). ТТЛ-вариант схемы логического элемента И-НЕ дан на рис. 5, в. Из рассмотрения рисунка вполне очевидно, что схема предста­вляет собой стандартный элемент И (рис. 5, в), к которому добавлен выходной стандартный усилитель — от инвертора (см. рис. 7, б). Условные изображения логического элемента И-НЕ дана на рис. 9, г.

 

 

 

Рис. 9. Логический элемент И-НЕ, выполненный на МОП-транзисторах с га-каналами (а), многоэмиттерном биполярном транзисторе и дополнительном усилителе (б), комплементарных МОП-транзисторах (в) и условные графические обозначения элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ в электронных схемах (г)

 

Логические элементы ИЛИ-НЕ.

Изменив схему логического элемента ИЛИ на МОП-транзисторах возможно получить новый, более универсальный элемент ИЛИ-НЕ, осуществляющий одновременно с логическим сложением ИЛИ и логическое отрицание (инверсию) НЕ. Для этого активные эле­менты должны быть использованы не в режиме повторителей (как в схеме рис. 6, б), а в режиме усилителей-инверторов, что легко достигается перенесением общего сопротивления нагрузки из цепи истоков в цепь стоков. На рис. 10, а приведена такая схема логического элемента ИЛИ-НЕ. При сигналах логического 0 на входах А и В транзисторы VT2 и VT3 заперты, а поскольку транзистор VT1 постоянно открыт и играет роль сопротивления нагрузки, то на выходе Q действует положительное напряжение логической 1. Если на одном из входов А или В (или одновременно на двух) действует положительное, напряжение, соответствующее логической 1, то транзистор VT2 или VT3 или оба вместе оказы­ваются открытыми и напряжение на выходе Q снижается до нескольких десятых долей-единиц вольт, т. е. до уровня напряжения логического 0.

Таблица 5.

Функциональная таблица

(таблица истинности) ИЛИ-НЕ.

А В Q

0 0 1

1 0 0

0 1 0

1 1 0

 

 

 

 

а

б

 

 

 

Рис. 10. Логические элементы ИЛИ-НЕ, выполненные на биполярных тран­зисторах (а), МОП-транзисторах с n-каналами (б), комплиментарных парах МОП-транзисторов (в).

 

Существенно снизить потребление энергии питания и увели­чить быстродействие позволяет использование КМОП-транзисторов. В частности, на рис. 10, б приведена схема такого вида. Транзисторы VT1 и VT2 имеют р-каналы и открываются, если на их затворы подается напряжение логического 0 (так как на их затворы, соединенные с плюсом источника питания, подается отри­цательное напряжение в отпирающей полярности). При этом тран­зисторы VT3 и VT4, имеющие n-каналы, оказываются запертыми и напряжение на выходе Q близко к напряжению источника питания, т. е. к напряжению логической 1. Если хотя бы на одном из входов действует напряжение логической 1, то один из транзисто­ров VT1 или VT2 закрывается, а поскольку они соединены после­довательно, схема отключается от источника питания и на вы­ходе Q напряжение равно 0. В добавление к этому открывается один из транзисторов VT3 или VT4 (включенных параллельно) и выход соединяется с общим проводом через весьма малое сопро­тивление 100—300 Ом. Таким образом, элемент действует в полном соответствии с таблицей истинности ИЛИ-НЕ (табл. 5.). Следует отметить, что схема чрезвычайно экономична и потребляет ток только в очень краткие мгновения, во время переключения, когда одни транзи­сторы открываются, а другие еще не успели закрыться.

Т ТЛ-вариант конструктивного исполнения схемы ИЛИ-НЕ на биполярных транзисторах приведен на рис. 10, в. Из рассмо­трения рисунка видно, что схема объединяет в себе двухвходовый элемент ИЛИ (рис. 6, а) и инвертор НЕ (см. рис. 7, б). Если на входах А и В действуют напряжения логических 0, то переходы база - эмиттер транзисторов VT1 и VT4 открыты и через них протекает ток, минуя переходы база - коллектор. Вследствие этого заперты суммирующие транзисторы VT2 и VT3. Поэтому на базу транзистора VT5 через резистор R4 подается напряжение питания, полностью его отпирающее, в результате чего на выход Q поступает положительное напряжение, соответствующее логи­ческой 1. Транзистор VT6, включенный параллельно выходу Q, при этом заперт и тока не проводит, ибо на его базу не подается напряжение (с резистора R2). Если хотя бы на одном из входов А или В действует напряжение логической 1, один из суммирующих транзисторов VT2 или VT3 отпирается, напряжение в точке соеди­нения их коллекторов резко падает, что приводит к запиранию транзистора VT5 и на вход перестает поступать положительное напряжение. При этом оказывается открытым транзистор VT6 шунтирующий своим малым сопротивлением выход, поскольку на его базу начинает подаваться напряжение, снимаемое с рези­стора R2, включенного в цепь эмиттеров суммирующих транзи­сторов VT2, VT3 (один из которых проводит ток). Таким образом, схема работает в полном соответствии с табл. 5. Условное изображения логического элемента ИЛИ-НЕ дана на рис. 9, г.

 

В рассмотренных схемах логических элементов для упроще­ния показывалось, как правило, лишь два входа. Это совсем не означает, что в реальных схемах их только два - их может быть значительно больше, до 8-10. И есть специальные устройства - расширители, которые позволяют увеличить число входов. Однако в случае необходимости можно увеличить число входов элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ способом наращивания, объединяя последо­вательно-параллельно несколько отдельных микросхем с мень­шим числом входов. При этом может возник­нуть проблема: что делать с оставшимися свободными входами? Если применены элементы И в ТТЛ-исполнении, то все свободные входы надо соединить вместе и подключить через резистор в 1 - 2 кОм к плюсу источника питания (+5 В). Свободные входы можно соединить с используемыми, но это не всегда жела­тельно, ибо увеличивается нагрузка на источник сигнала. В МОП и КМОП-схемах И свободные входы можно соединять непосред­ственно с плюсом источника питания.

Несколько сложнее наращивание в случае элементов ИЛИ-НЕ, И-НЕ, где приходится использовать дополнительные инверторы.

В современной цифровой технике в настоящее время доминируют четыре семейства логических микросхем в интегральном исполнении: ТТЛ; ТТЛШ; КМОП и ЭСЛ, выпускаемые во всем мире сотнями миллионов штук ежегодно. При этом наиболее широко применяются для построения цифровых информационно-измерительных геофизических устройств микросхемы ТТЛ, ТТЛШ и КМОП. Цифровые микросхемы семейства ЭСЛ, пока не имеющие себе равных по быстродействию (доли наносекунды), потребляют слишком много энергии питания и используются преимущественно для создания сверхбыстродействующих ЭВМ универсального применения.

Все логические элементы выпускаются в виде микросхем в ин­тегральном исполнении и маркируются стандартным семиэлемент­ным кодом. При этом третий элемент маркировки — две буквы — обозначает: ЛИ — элемент И; ЛН — элемент НЕ; ЛЛ — эле­мент ИЛИ; ЛА — элемент И-НЕ; ЛЕ — элемент ИЛИ-НЕ; ЛС — элемент И-ИЛИ; ЛБ — элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ; ЛР — элемент И-ИЛИ-НЕ; Л К — элемент И-ИЛИ-НЕ/И-ИЛИ; ЛМ— элемент ИЛИ-НЕ/ИЛИ; ЛД — расширители; ЛП — прочие типы элементов (в том числе исключающее ИЛИ); ХЛ — многофунк­циональные элементы.