Здавалка
Главная | Обратная связь

Теоретичні відомості



Робота 14. Дослідження роботи логічних елементів

 

Мета роботи

 

Ознайомитися з принципами побудови і характеристиками основних логічних елементів, дослідити функціональні властивості типових логічних елементів в інтегральному виконанні.

 

Теоретичні відомості

 

Логічні елементи разом із запам'ятовуючими елементами складають основу імпульсної і цифрової техніки. Логічні елементи реалізують прості логічні операції з інформацією у двійковій формі. За звичай, наявність напруги високого рівня відповідає "логічній одиниці" ("1"), а низького рівня -"логічному нулю" ("0"). Це, так звана, потенціальна система представлення інформації. Використовується також динамічна (імпульсна) сиситема, при якій "1" відповідає наявність, а "0"- відсутність перепаду рівнів напруг.

Аналіз роботи пристроїв, які виконують логічні операції, проводиться за законами алгебри логіки (Булевої алгебри). До елементарних логічних операцій відносяться:

1. Логічне додавання (диз'юнкція), яку називають ще операцією АБО і позначають "+" чи "Ú"

.

2. Логічне множення (кон'юнкція) або операція I, позначається "·" чи "Ù"

.

3. Логічне заперечення (інверсія) або операція НІ, познача'ється рискою над змінними

.

Логічні елементи, що реалізують операцію диз'юнкції, називаються елементами АБО (рис.14.1.а). Функціональна особливість елементів АБО така, що сигнал "логічної одиниці" з'являється на виході елемента тоді, коли хоча б на один із входів поступає сигнал "логічної одиниці".

Логічні елементи, що реалізують операцію кон'юнкції, називаються елементами I або схемами співпадання. Сигнал "логічної одиниці" по являється на виході елемента I тільки при наявності сигналу "1" на всіх входах одночасно (множення будь-якого числа на нуль дає нуль).

Операція логічного заперечення реалізується елементами НІ, котрі називають ще інверторами.

На практиці широко застосовуються комбіновані логічні елементи АБО-НІ та I-НІ. Елементи АБО-НІ називають ще елементами Шеффера. Вони виконують операцію

.

Елементи I-НІ називають також елементами Пірса. Вони реалізують операцію

.

Позначення елементів на функціональних схемах приведено на рис.14.1.

 

Рис.14.1.Позначення логічих елементів.

 

Схеми логічних елементів будуються на основі діодних чи транзисторних ключів. У відповідності до цього розрізняють елементи діодної логіки (ДЛ), діодно-транзисторної логіки (ДТЛ), транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) та логічні елементи на польових транзисторах (МОП-елементи). Існують і інші види логіки, наприклад, емітерно зв'язна, емітерно інжекційна та інші.

На рис.14.2 приведена схема діодного логічного елемента, який реалізує операцію додавання логічних сигналів х1 і х2

       
x1 x2 У

 
 

а) б)

Рис.14.2. Схема діодного елемента АБО (а) і

таблиця істинності (б).

При подачі напруги додатної полярності на один з входів елемента відповідний діод відкривається і через навантаження протікає струм i . Оскільки опір діода у відкритому стані малий, то, практично, вся напруга спадає на опорі навантаження i Uвих=Uвх=1. Такої ж величини буде вихідна напруга і при високих рівнях напруги на обох входах елемента. При відсутності напруги на входах елемента Uвих=0. Розглянутий алгоритм роботи елемента АБО можна подати у вигляді таблиці істинності (рис.14.2, б). Основним недоліком діодних елементів є те, що сигнали на виході елементів менші за вхідні. Тому при їх послідовному з'єднанні вихідний сигнал може значно зменшитися, що обмежує їх застосування.

x1 x2 x3

 

Схема ДТЛ елемента I-НІ приведена на рис.14.3,а. При сигналі "0" (низькому рівні напруги) на всіх входах елемента діоди Д1, Д2 відкриті і потенціал бази транзистора низький. За цих умов транзистор Т закритий (у відсічці), а на його колекторі буде сигнал високого рівня, що відповідає "1". Стан транзистора не змінюється доти, доки хоча б на одному з входів діє сигнал низького рівня ("0").


а) б)

Рис.14.3. Схема діодного-транзисторного елемента I-НІ (а)

і таблиця істинності (б).

 

Тільки при високих рівнях напруги на усіх входах діоди закриваються, що призводить до різкого зростання потенціалу бази транзистора. Транзистор відкривається (переходить у насичення) і напруга на його колекторі різко знижується. Це відповідає сигналу "0" на виході елемента.

Елементи ТТЛ реалізують на основі багатоемітерних транзисторів. Багатоемітерний транзистор є сукупністю кількох транзисторів n-p-n типу, поєднаних спільною базою і спільним колектором. Вони існують лише в інтегральному виконанні. Принцип дії елементів ТТЛ розглянемо на прикладі елемента I-НІ з простим інвертором (рис.14.4).

 

 

Рис.14.4. Схема ТТЛ елемента I-НІ з простим інвертором.

 

В приведеній схемі багатоемітерний транзистор Т1 реалізує логічну операцію I, а транзистор Т2 виконує функцію найпростішого інвертора.

Якщо на всіх входах елемента присутні сигнали "1" (високі рівні), то всі переходи база-емітер транзистора Т1 закриті. При цьому транзистор Т2 відкритий до насичення струмом, який протікає від джерела живлення через резистор R1, перехід база-колектор Т1 та перехід база-емітер Т2, і на виході елемента формується сигнал "0" (низький рівень напруги). Якщо на одному з входів появиться сигнал "0", то відповідний перехід база-емітер транзистора Т1 відкриється і струм буде протікати через відкритий перехід база- емітер Т1 та вихідний опір джерела сигналу. При цьому припиняється колекторний струм Т1, який одночасно є і базовим струмом Т2. В результаті транзистор Т2 закриється, а на його виході установиться сигнал "1" (високий рівень напруги), що і відповідає алгоритму роботи елемента I-НІ.

Щоб забезпечити більшу навантажувальну здатність, інвертори виконують за значно складнішими схемами. В елементах ТТЛ вдало поєднуються швидкодія, завадостійкість і навантажувальна здатність з невеликим споживанням електричної потужності. Елементи ТТЛ входять до складу мікросхем багатьох серій, зокрема до універсальних серій загального користування К133, К155 та К555.

Більшою економічністю і великим вхідним опором відрізняються логічні елементи на основі МОП-транзисторів. Особливо широке застосування знайшли елементи на комплементарних парах польових транзисторів, так звані КМОП-елементи. Комплементарними (доповнюючими) польовими транзисторами називають пари транзисторів, які відрізняються типом провідності каналів.

На рис 14.5 приведена схема базового КМОП-елемента, який виконує функцію інвертора. Схема складається з послідовно з'єднаних польових транзисторів з індукованими каналами n- і p-типу. Затвори транзисторів з'єднані між собою.

 

 

Рис.14.5. Схема КМОП інвертора.

 

Коли на вході інвертора сигнал низького рівня ("0"), n-канальний транзистор Т2 закритий, так як різниця потенціалів між його затвором і підкладкою мала і недостатня для створення каналу, (порогова напруга індукування каналу знаходиться у межах від 1.5 до 3 V).

Підкладка транзистора Т1 знаходиться під додатним потенціалом Ес. Отже, коли потенціал затвора близький до нуля, то різниця потенціалів між затвором і підкладкою p-канального транзистора Т1 не достатня для його відкривання. При відкритому Т1 і закритому Т2 рівень напруги на виході інвертора близький до Ес, що відповідає "1". Якщо напруга на вході елемента зросте до рівня "1", транзистор Т1 відкриється, бо різниця потенціалів між його затвором і підкладкою стане достатньою для створення каналу. Одночасно транзистор Т2 закриється, так як потенціали затвора і підкладки вирівняються. При цьому напруга на виході елемента різко знизиться до рівня "0". Таким чином, у кожному зі станів КМОП-елемента один з транзисторів завжди закритий, тому струм через схему майже НЕ протікає. Споживання електричної енергії відбувається, в основному, лише в моменти переключення. Цим пояснюється висока економічність КМОП-елементів. Недоліком логічних елементів на польових транзисторах є те, що їх швидкодія менша, ніж елементів ТТЛ.

Логічні КМОП-елементи виготовляють у вигляді напівпровідникових інтегральних мікросхем серій К176 та К561.

В роботі досліджуються функціональні властивості основних типів елементів ТТЛ, які входять до складу мікросхем серії К155. Умовні позначення мікросхем приведені на рис.14.6.

 

К155ЛЛ1 K155ЛА4 K155ЛН1 K155ЛП5 K155ЛЕ1

 

Рис.14.6. Умовні позначення логічних мікросхем cерії К155.

 

В корпусі мікросхеми К155ЛЛ1 розміщено 4 двовходові елементи АБО (4´2АБО), об'єднані спільним живленням. Аналогом мікросхеми К155ЛЛ1 є мікросхема SN7432N виробництва США.

Мікросхема К155ЛА4 (аналог SN7410N) складається з трьох тривходових елементів I-НІ (3´ 3I-НІ). Схеми елементів І-НІ цієї мікросхеми є базовими і використовуються для побудови інших пристроїв в інтегральному виконанні.

Мікросхема K155ЛН1 (аналог SN7404N) містить шість незалежних інверторів.

Цікаві функціональні властивості має мікросхема K155ЛП5, у корпусі якої знаходиться чотири елементи "виключаючого АБО". Дії кожного з елементів мікросхеми описуються виразом Ú , з якого слідує, що сигнал "0" на виході елемента "виключаючого АБО" існує лише тоді, коли сигнали на його входах одинакові.

В мікросхемах типу K155ЛЕ1 (аналог SN7402N) знаходиться чотири елементи АБО-НІ (4´ 2АБО-НІ).

До складу серії мікросхем К155 входять і складніші логічні елементи, наприклад, 2I-2АБО-НІ. Таке поначення означає, що у корпусі мікросхеми розміщено елемент, який має окремі пари входів, об'єднані операціями I і АБО, та спільний інвертор.

 

Програма роботи

 

1. Ознайомитися з монтажною платою змінного пристрою УС12.

2. Дослідити роботу елемента АБО К155ЛЛ1.

3. Дослідити роботу елемента I-НІ К155ЛА4.

4. Дослідити роботу елемента НІ К155ЛН1.

5. Дослідити роботу елемента "виключаючого АБО" К155ЛП5.

6. Дослідити роботу елемента АБО-НІ К155ЛЕ1.

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.