Логические элементы с тремя выходными состояниями

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 10Следующая ⇒

В стандартную схему И-НЕ ТТЛ добавляется инвертор и диод . Если на вход подать напряжение высокого уровня (+5В), выходное станет низким, то есть катод диода будет заземлен. Из-за этого на коллекторе транзистора окажется нулевой потенциал. Транзистор проводить ток не сможет и на резисторе будет нуль падения напряжения, следовательно транзисторы не получают базовые токи и поэтому находятся в режиме отсечки, то есть оба разомкнуты. Получается, что провод «Выход» как бы «висит» в воздухе. Микросхема переходит в состоянии Z с очень большим выходным сопротивлением.

Если на вход подать разрешающий низкий уровень, то ТТЛ схема И-НЕ работает как обычно, то есть выход зависит от состояния входов

КМОП Комплементарные полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник.

Комплементарный переводится как взаимно дополняющий. Так называют пару транзисторов, сходных по параметрам, но противоположных по структуре, например n-p-n и p-n-p для биполярных и p-канальные и n-канальные для униполярных.

p-канальный МОП транзистор приведен на рис. 1.16.

Рис. 1.16 Схема включения р-канального МОП транзистора

В этом транзисторе канал создается методом электростатической индукции

Канал проводимости наведется, когда через переключатель S затвор (З) подсоединится к низкому уровню напряжения. На затворе относительно подложки скопится отрицательный заряд, а на поверхности полупроводника положительный. Через канал течет ток и на нагрузочном резисторе падает напряжение высокого уровня U¹_вых.

U¹_вых = U_и.п.R_н/ (R_н + R_к), где

U_и.п.– напряжение источника питания,

R_н– cопротивление нагрузочного резистора,

R_к– внутреннее сопротивление канала (десятки и сотни Ом).

Тобы канал проводимости исчез, следует движок переключателя S перевести в положение В, т.е. подать на затвор высокий уровень. Тогда на «конденсаторе» затвор-подложка напряжения нет и положительные носители зарядов в канале не индуцируются. На выходе элемента низкий уровень.

n- канальный МОП транзистор.

Аналогично строится схема на n-канальном транзисторе (рис. 1.17).

Рис. 1.17 Схема включения n-канального МОП транзистора

По сравнению с р-канальным у него подложка р-типа (кремний, бедный электронами), в которой сделаны легированием n⁺, области истока и стока, обогащенные отрицательными носителями – электронами. Если на затвор подать высокий потенциал, канал транзистора замкнется, и от плюса источника напряжения в нулевой провод потечет ток стока, а выходное напряжение окажется на низком логическом уровне.

Последовательное (столбиком) соединение p-канального и n-канального транзисторов образуют комплементарную пару (рис. 1.18).

Рис. 1.18 Комплементарная пара

При подаче на вход логического «0», транзистор VT1 открывается, а VT2 закрывается, а при подаче логической «1» все произойдет наоборот – VT2 откроется, а VT1 закроется. Таким образом, сквозной ток через транзисторы не протекает ни при каких входных логических уровнях, а сама пара образует логический инвертор.

Основные элементы КМОП

Для построения любых цифровых схем КМОП используются элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, НЕ и коммутативный ключ (КК).

И-НЕ

Схема базового элемента И-НЕ изображена на рис. 1.19.

Рис. 1.19 Схема элемента И-НЕ на КМОП транзисторах

Таблица истинности И-НЕ

		Y

Работу схемы удобно разобрать, если представить транзисторы контактами (ключами), управляемыми переключателями S1 и S2, тем более, что реальные КМОП микросхемы допускают непосредственное соединение входа с клеммой +Е. Видоизмененная схема элемента И-НЕ приведена на рис. 1.20.

Рис. 1.20 Контактная интерпретация логического элемента И-НЕ на КМОП транзисторах

Если от и на входы подать, высокий уровень (В), то n-каналы транзисторов замкнутся, а p-каналы транзисторов разомкнутся. Соответственно Y = 0. Если на или поступит хотя бы один низкий уровень (H), один из p-каналов или замкнется, а один из n-каналов или разомкнется, т.е. Y=1.

Типичными представителями являются К561ЛА7, К561ЛА8 и т.п.

ИЛИ-НЕ

Схема базового элемента ИЛИ-НЕ приведена на рис. 1.21.

Рис. 1.21 Схема элемента ИЛИ-НЕ на КМОП транзисторах

Как известно, закон функционирования логического элемента ИЛИ-НЕ может быть показан при помощи таблицы истинности

Х₁	Х₂	Y

Аналогично предыдущему элементу, рассмотрим контактную интерпретацию ИЛИ-НЕ, приведенную на рис. 1.22.

Рис. 1.22 Контактная интерпретация логического элемента ИЛИ-НЕ на КМОП транзисторах

Если от и на входы элемента подать низкий логический уровень (H), то p-каналы транзисторов окажутся в проводящем состоянии, а n-каналы транзисторов в не проводящем. Следовательно на выходе Y = 1. Если хотя бы один из входов или имеет высокий уровень (В), то каналы транзисторов разомкнуты, а замкнуты, выходной сигнал Y = 0.

Например: К176ЛЕ5 содержат 4 2ИЛИ-НЕ.

Коммутативный ключ КМОП

Для построения элементов с Z-состоянием используется коммутативный ключ, схема которого приведена на рис. 1.23, а поведение описано таблицей 1.11.

Рис. 1.23 Коммутативный ключ

Таблица 1.11

Состояния коммутативного ключа

A	B	VT1	VT2	Примечание
		закрыт	открыт	Не используется
		закрыт	закрыт	Z-состояние
		открыт	открыт	Коммутация
		открыт	закрыт	Не используется

Как видно из табл. 1.11 сочетание сигналов A = B не используется (первая и четвертая строка таблицы). Обязательным условием является

A & B =0. Рабочими являются две ситуации:

A = 0, B = 1 – оба транзистора закрыты, ключ разомкнут;

A = 1, B = 0 – оба транзистора открыты, ключ замкнут

Основным достоинством такого ключа является возможность коммутации сигналов в двух направлениях, т.е. вход и выход можно менять местами, а значит такой ключ способен коммутировать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Переходное сопротивление ключа зависит от напряжения питания и лежит в пределах от десятков до сотен Ом.

Типичным представителем является четырехканальный двунаправленный коммутативный ключ К561КТ3, в котором каждый канал независим от соседних и способен коммутировать цифровые и аналоговые сигналы с током коммутации до 10 мА.

Код Грея

Код Грея непозиционный, т.е. веса его разрядов не определяются занимаемыми ими местами, как в обычном двоичном коде, который относится к классу позиционных.

десятичный	двоичный позиционный	код Грея непозиционный

Каждый n-ый считая слева, разряд числа в коде Грея равен сумме по модулю 2 n-го и (n-1)-го слева разрядов того же числа, представленного позиционным кодом.

Помним, что:

Сумма по модулю 2 это Y = = , потому:

0 ⊕ 1 = 1

Замечательным свойством кода Грея является то, что при переходе между любыми соседними числами изменяется значение всегда только одного разряда, а у двоичного кода на все сочетания эта величина колеблется от 1 до n, где n – число разрядов, что приводит к ошибкам неоднозначности при считывании кодов.

Преобразование кода Грея в двоичный позиционный можно выполнить по схеме, приведенной на рис. 1.24, а обратное преобразование по схеме рис. 1.25.

Рис. 1.24 Преобразователь кода Грея в двоичный

Рис. 1.25 Преобразователь двоичного кода в код Грея

Контроль по нечетности

На передаваемые по линии связи или хранимые в памяти данные воздействии различные помехи, которые могут исказить эти данные. Простейшим способом удостовериться, что полученные с линии или извлеченные из памяти данные искажены ошибкой и использовать их нельзя, служит введение контроля по четности (parity chek) – контроль по паритету (паритет – согласие, аналогия). На рис. 1.26 представлена схема передачи информации в параллельном n-разрядном коде с контролем четности.

К сигнализатору ошибок

Рис. 1.26 Передача информации с контролем четности

В его основе лежит операция сложения по модулю 2 всех двоичных разрядов контролируемого слова.

Если число единиц в слове четное, то сумма по модулю 2 всех его разрядов – 0, если нечетное – 1. Признаком четности называют инверсию этой суммы.

На n-входовом элементе формируется признак четности числа, который в качестве дополнительного, (n+1)-го контрольного разряда (parity bit) отправляется вместе с передаваемым словом в линию связи. Передаваемое (n+1)-разрядное слово имеет всегда нечетное число единиц. Если в исходном слове оно было нечетным, то функция от такого слова равна 0, и нулевое значение контрольного разряда не меняет числа единиц при передачи слова. Если же число единиц в исходном слове было четным, то контрольный разряд для такого числа будет равен 1, и результирующее число единиц в передаваемом (n+1)-разрядном слове станет нечетным. Поэтому, строго говоря, этот вид контроля называется контролем нечетности. На приемном конце линии или после чтения из памяти от полученного (n+1)-разрядного слова снова берется свертка по четности. При отсутствии одиночной ошибки передачи, выходной сигнал от (n+1)-слова равен 0.

Параметры импульсов

Устройства, работающие в прерывистом (дискретном) режиме, длительность которого соизмерима с длительностью переходных процессов, называют импульсными.

Различают два вида импульсов: видео и радиоимпульсы.

Видеоимпульс – это кратковременное изменение напряжения (тока) в цепи постоянного тока. Он имеет постоянную составляющую (среднее значение) отличную от нуля.

Реальные импульсы не имеют формы, строго соответствующей названию.

Видеоимпульс может иметь положительную и отрицательную полярность, а также может быть двусторонним разнополярным.

Прямоугольный импульс реальной формы представлен на рис. 1.27.

Рис. 1.27 Реальный прямоугольный импульс

Параметры импульса:

1. Амплитуда импульса – max значение U или I импульса данной формы.

2. Длительность импульса – промежуток времени между моментами возникновения и исчезновения импульса (если t на уровне 0, 5 – активная длительность t_и.а.).

3. Длительность фронтов импульса – время нарастания (для переднего фронта) или спада (для заднего фронта) импульса. Под фронтом понимается боковая сторона импульса (0, 1 - 0, 9 ) и (0, 9 ). составляют 5-20% от .

4. Спад вершины импульса – вершина прямоугольного импульса является его рабочей частью, уровень которой желательно иметь неизменным. = (0, 01 – 0, 005)

5. Период повторения импульса (Т) – отрезок времени между началом двух соседних однополярных импульсов. Обратная периоду величина называется частотой повторения:

6. Скважность импульсов (Q – энергетический показатель) – отношение периода повторения к длительности импульса.

Скважность величина безразмерная и всегда .

Q = 2 10 – для устройств вычислительной техники и автоматики. Q отражает возможность накопления больших энергий и мощностей в течение паузы.

Для определения энергетических свойств импульсного устройства и характеристики энергетического воздействия импульса на нагрузку существует понятия: среднего значения импульса (постоянной составляющей импульса) за период и за время длительности импульса. Средние значения за период:

Среднее значение за время длительности импульса:

Формулы справедливы только при активной нагрузке.

Для прямоугольного импульса

Выражение и указывает на связь между мощностью в импульсе и мощностью источника питания Если накапливать непрерывно отдаваемую источнику энергию в специальном устройстве (накопитель энергии), а затем во время импульса отдавать ее, то мощность источника питания может быть в раз меньше мощности в импульсе.