Исследование работы логических элементов. Исследование логических элементов ттл, эсл, моп. Краткие теоретические сведения

Е.Н. Малышева

Основы

Микроэлектроники

Лабораторный практикум

Тобольск - 2012

УДК 621.3.049.77

Печатается по решению кафедры технологии и технических дисциплин ТГПИ им. Д.И. Менделеева

Малышева Е.Н. Основы микроэлектроники. Лабораторный практикум: Учебное пособие. – Тобольск: ТГПИ им. Д.И. Менделеева, 2012. – 60 с.

Рецензент: Новоселов В.И., к.ф.-м. н., доцент кафедры физики и МПФ

© Малышева Е.Н, 2012

© ТГПИ им. Д.И. Менделеева, 2012
Пояснительная записка

Данное учебное пособие выполнено в виде рабочей тетради и предлагается в сопровождение к лабораторному практикуму для студентов педагогических вузов, изучающих основы микроэлектроники. Лабораторный практикум проводится с использованием стенда универсального и посвящен исследованию элементов, узлов и устройств цифровой техники.

1. Исследование работы основных логических элементов.

2. Исследование работы триггеров.

3. Исследование работы регистров.

4. Исследование работы комбинационных преобразователей кодов.

5. Исследование работы счетчиков.

6. Исследование работы сумматора.

7. Исследование работы арифметическо-логического устройства.

8. Исследование работы оперативного запоминающего устройства.

9. Исследование работы модели ЭВМ.

Каждая работа включает в себя следующие разделы:

Теоретический материал, освоение которого необходимо для выполнения работы;

Описание работы;

Вопросы к зачету данной работы.

Лабораторная работа № 1.

Исследование работы основных логических элементов

Цель работы: изучение принципов действия и экспериментальное исследование работы логических элементов.

Общие сведения

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией. Их создают на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме, который характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» - «Отключено». Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, когда сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа. Эти два положения (логическая 1 и логический 0) составляют электронный алфавит, или основание двоичного кода.

На вход любого цифрового устройства поступает набор кодовых слов, которые оно преобразует в другие кодовые слова или слово. Кодовые слова на выходе являются некой функцией, для которой входные кодовые слова приходятся аргументом этой функции. Их называют функции алгебры логики.

Логические функции, как и математические, можно записать в виде формулы или таблицы – таблицы истинности, которая приводит все возможные сочетания аргументов и соответствующие им значения логических функций. Устройство, предназначенное для выполнения определенных функций алгебры логики, называется логическим элементом. Рассмотрим некоторые их них.

Логический элемент НЕ

логического отрицания (инверсии) . Логическим отрицанием высказывания A называется высказывание X, истинное в том случае, когда А ложно .

Логический элемент И

Предназначен для выполнения функции логического умножения (конъюнкции). Логическим умножением называют такую связь между двумя простыми высказываниями A и B, в результате которой сложное высказывание X истинно лишь в том случае, когда одновременно истинны оба высказывания.

Логический элемент И-НЕ

Предназначен для выполнения функции отрицания логического умножения (отрицания конъюнкции). Отрицанием умножения или функцией Шеффера называют такую связь между двумя простыми высказываниями A и B, в результате которой сложное высказывание X ложно лишь в том случае, когда одновременно истинны оба высказывания.

Порядок выполнения работы

Оборудование: стенд универсальный, блок питания, плата П1, технологические карты I-1 − I-9.

1. Проанализируйте работу светодиодного индикатора стенда для определения уровней логических сигналов.

2. Исследуйте работу логических устройств, последовательно используя технологические карты. Выполните для каждой схемы следующие задания:

а. заполните таблицы истинности,

б. используя полученные данные, определите логические элементы,

в. назовите выполняемые ими функции алгебры логики,

г. обозначьте логические элементы на схеме соответствующими условными обозначениями,

д. запишите формулы, выражающие связь между входными и выходными характеристиками.

x1 x2 y1 x3 x4 y2 y3 x1 x2 y1 y2 y3 y4 Вопросы к зачету 1. Каковы назначение и область применения логических элементов? 2. Дайте определение основным логическим функциям. 3. По светодиодному индикатору определите уровень логического сигнала на выходе схемы. 4. Определите по выходным данным типы логических элементов в схеме. 5. По маркировке интегральных микросхем, расположенных на используемой плате, дайте их характеристику. Лабораторная работа № 2. Общие сведения Из логических элементов строятся более сложные цифровые устройства. Одним из наиболее распространенных узлов цифровой техники является триггер. Триггер – это устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способные под воздействием управляющего сигнала переходить скачком из одного состояния в другое. Каждому состоянию триггера соответствует определенный (высокий или низкий) уровень выходного напряжения, который может сохраняться как угодно долго. Поэтому триггеры называют простейшими цифровыми автоматами с памятью, т.е. их состояние определяется не только входными сигналами в данный момент времени, но и их последовательностью в предыдущие такты работы триггера. В настоящее время большинство триггеров выполняется на основе логических элементов в виде интегральных микросхем (ИМС). Они применяются как переключающие элементы самостоятельно или входят в состав более сложных цифровых устройств, таких как счетчики, делители частоты, регистры и др. По способу записи информации триггеры подразделяют на синхронные и асинхронные устройства. В асинхронных триггерах запись информации осуществляется непосредственно с поступлением входных сигналов. В синхронных (тактовых) триггерах информация будет записана только при наличии тактового синхроимпульса. По функциональному признаку различают триггеры: с раздельным запуском (RS-триггеры), с элементами задержки (D-триггеры), со счетным пуском (Т-триггеры), универсальные (JK-триггеры). Как правило, у триггера два выхода: прямой () и инверсный (). Состояние триггера определяется по величине напряжения на прямом выходе . Входы триггеров имеют следующие обозначения: S – раздельный вход установки триггера в единичное состояние; R – раздельный вход установки триггера в нулевое состояние; D – информационный вход; C – вход синхронизации; T – счетный вход и другие. Основой всех триггерных схем является асинхронный RS-триггер. Существует два типа RS-триггеров: построенных на логических элементах «ИЛИ-НЕ» и на логических элементах «И-НЕ». Они различаются уровнем активных сигналов и имеют свое обозначение (см. таблицу). RS-триггеры имеют режимы работы: установка в нулевое или единичное состояние, хранения, запрещенный режим. Запрещенная комбинация (на оба входа подаются активные сигналы) реализуется при подаче противоречивой команды: одновременно установиться в единичное и нулевое состояние. При этом на прямом и инверсном выходах реализуются одинаковые уровни напряжения, чего по определению не должно быть. Тактируемые D-триггеры имеют вход D для подачи информации (0 или 1) и синхровход С. На вход С подаются синхроимпульсы (С=1) от специального генератора импульсов. D-триггеры избавлены от запрещенной комбинации входных сигналов. Счетный Т-триггер имеет один управляющий вход Т. Смена состояний триггера происходит всякий раз, когда меняется управляющий сигнал. Т-триггеры одного типа реагируют на фронт импульса, т.е. на перепад 0-1, другие - на срез (перепад 1-0). В любом случае частота выходных импульсов в 2 раза ниже частоты входных. Поэтому Т-триггеры используются как делители частоты на 2 или счетчики по модулю 2. В виде ИМС триггеры этого типа не выпускаются. Их можно легко создать на основе D- и JK-триггеров. JK-триггеры относятся к универсальным, имеют информационные входы J и K и синхронизирующий вход С. Они используются при создании счетчиков, регистров и других устройств. При определенном переключении входов JK-триггеры могут работать как RS-триггеры, D- триггеры и Т-триггеры. Благодаря такой универсальности они имеются во всех сериях ИМС. Порядок выполнения работы Оборудование: стенд универсальный, блок питания, плата П2, технологические карты II-1 − II-4. 1. Выделите в схеме триггер. 2. Выполните для каждой схемы следующие задания: а) запишите название триггера, б) составьте таблицу изменений состояний в зависимости от входных сигналов, активные сигналы обозначайте стрелкой (­ - высокий уровень – логическая единица, ¯ - низкий уровень – логический ноль), в) определите тип входа (R или S), укажите эти обозначения в таблице и обозначьте на схеме (для карт II-1 и II-2), г) обозначьте режимы работы триггера, д) составьте временную диаграмму состояний триггера. HL1 HL2 x1 x2 y1 y2 Режим работы Триггер ______________________________________________________ HL1 HL2 x1 x2 y1 y2 Режим работы Триггер ______________________________________________________ HL1 HL2 HL3 HL4 Режим работы Триггер ______________________________________________________ D C HL1 HL2 Режим работы Вопросы к зачету 1. Что такое триггер? 2. Объясните назначение входов триггеров. 3. Что такое активный уровень сигнала? 4. В чем отличие синхронных от асинхронных триггеров? 5. Объясните характер «запрещенного» состояния в RS-триггере. 6. Расскажите по диаграмме о состоянии триггера в каждый такт работы. 7. По маркировке интегральных микросхем, расположенных на используемой плате, дайте их характеристику. Лабораторная работа № 3. Общие сведения Регистр – это операционный узел, состоящий из триггеров и предназначенный для приема и хранения информации в двоичном коде . Длина кодовых слов, записываемых в регистр, зависит от количества составляющих его триггерных ячеек. Т.к. триггер может принимать в данное время только одно устойчивое состояние, то, к примеру, для записи 4-разрядного слова необходимо иметь регистр из четырех триггерных ячеек. По способу записи кодовых слов различают параллельные, последовательные (сдвигающие) и универсальные регистры. В параллельных регистрах запись кодового слова осуществляется в параллельной форме, т.е. во все триггерные ячейки одновременно. В последовательном регистре запись кодового слова происходит последовательно, начиная с младшего или старшего разряда. Все триггеры, входящие в состав регистра, объединены общим входом синхронизации, некоторые типы схем имеют общий вход R для операции обнуления. Параллельный 3-разрядный регистр Информация поступает в виде параллельного кода. Входы обозначим X, Y, Z. На тактовые входы всех триггеров одновременно подается логический сигнал C (команда «запись»). Во время фронта импульса C срабатывают все триггеры. Информация хранится в параллельном регистре в виде параллельного кода и может быть считана с выходов триггеров: Q1,Q2,Q3. Последовательный 3-разрядный регистр Записываемое число поступает на один вход Х в виде последовательного кода, т.е. значения разрядов передаются последовательно. При поступлении каждого импульса С в момент его фронта в каждом триггере записывается значение логического сигнала на его входе. Порядок выполнения работы Оборудование: стенд универсальный, блок питания, платы П2, П3, перемычка, технологические карты II-5, II-6, III-1, III-2. 1. Запишите название устройства с указанием его разрядности. 2. Проанализируйте работу двухразрядных регистров. 3. Выполните для каждой схемы следующие задания: а) запишите название регистра, б) запишите в регистр несколько различных кодовых слов, результаты внесите в таблицу зависимости выходных состояний от входных сигналов, в) нарисуйте условное обозначение устройства, II-5 (П2)

Выходы D2 D1 Q2 Q1

II-6 (П2)

_______________________________________________________________

Выходы D Q2 Q1

Вывод: ________________________________________________________

________________________________________________________

4. Для четырехразрядных регистров выполните задания:

а) запишите название регистра с указанием его разрядности,

б) зарисуйте внутреннюю логическую структуру,

в) запишите в регистр несколько различных кодовых слов, результаты внесите в таблицу зависимости выходных состояний от входных сигналов,

г) сделайте вывод: за сколько тактов записывается в данном регистре одно кодовое слово.

III-1 (П3)

_______________________________________________________________

Вход	Выходы
D	Q4	Q3	Q2	Q1

Вход	Выходы
D	Q4	Q3	Q2	Q1

Вывод: _________________________________________________________

_________________________________________________________

III-2 (П3)

_______________________________________________________________

Входы	Выходы
D4	D3	D2	D1	Q4	Q3	Q2	Q1

Вывод: ___________________________

___________________________

Вопросы к зачету

1. Какое устройство называется регистром? Для чего он предназначен?

2. Какие типы регистров знаете? Чем они различаются?

3. Объясните понятие «разрядность». Что означает выражение «4-разрядный регистр»?

4. Каким образом необходимо изменить функциональную схему, чтобы из двухразрядного регистра получить четырехразрядный?

5. Сколько разных слов можно записать с помощью 2- (4-) разрядного регистра?

6. Объясните на каждой функциональной схеме, как вы осуществляли запись кодового слова?

Лабораторная работа № 4.

Общие сведения

Комбинационные преобразователи кодов предназначены для преобразования m-элементного параллельного кода на входах цифрового автомата в n-элементный код на его выходах, т.е. для преобразования кодового слова из одной формы в другую. Связь между входными и выходными данными можно задать с помощью логических функций или таблиц истинности. Наиболее распространены такие типы преобразователей кодов, как шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры.

Шифраторы используются в системах ввода информации для перевода единичного сигнала на одном из его входов в многоразрядный двоичный код на выходах. Так, сигнал от каждой клавиши на клавиатуре, обозначающей цифру или букву, поступает на соответствующий вход шифратора, а на его выходе этот символ отображается в двоичного кодового слова. Дешифраторы выполняют обратную операцию и используются в системах вывода информации. Для визуальной оценки выведенной информации дешифраторы используют вместе с системами индикации. Одним из типов индикаторов являются 7-сегментные индикаторы на светодиодах или жидких кристаллах. Для этого выходные сигналы дешифратора переводятся в код 7-сегментного индикатора.

Мультиплексоры решают задачу выбора информации от нескольких источников, демультиплексоры – задачу распределения информации по нескольким приемникам. Эти устройства используются в процессорных системах цифровой техники для связи отдельных блоков процессора между собой.

Порядок выполнения работы

Оборудование: стенд универсальный, блок питания, плата П4, технологические карты IV-1, IV-2, IV-3.

1. Проанализируйте работу дешифратора.

2. Выполните для схем IV-1 и IV-2 следующие задания:

а) составьте таблицу зависимости выходных состояний от входных сигналов,

б) сделайте вывод: из какой системы кодирования в какую устройство переводит?

в) сколько разрядов имеет двоичное число в схеме IV-2? Какую задачу выполняет тумблер SA5?

Мультиплексор

3. Проанализируйте работу схемы, содержащей мультиплексор и выполните задания:

а) найдите на схеме мультиплексор,

б) проверьте, откуда информация поступает на входы мультиплексора,

в) проверьте, с помощью какого устройства задается адрес мультиплексору,

г) задайте мультиплексору адрес того информационного входа, сигнал с которого вы хотите послать на его выход,

д) заполните таблицу зависимости выходного сигнала от входной информации и заданного мультиплексору адреса, вводя различные адреса и подавая различную информацию на входы.

Адрес

№ D-входа, соеди-нившегося с выходом

Входная информация

Выход Y

А2

А1

А0

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

Вопросы к зачету

1. Какое устройство называется дешифратором? Для чего он предназначен?

2. Какое устройство называется мультиплексором? Для чего он предназначен?

3. Какие тип индикации используется в схеме IV-2?

4. Что означает выражение «двоичная система кодирования информации» (десятичная, шестьнадцатиричная)?

Данный набор позволяет изучить логику работы основных типов логических элементов. Набор размещается в укладке представляющей собой черный пластиковый ящик размером 200 х 170 х 100 мм

В укладке располагается четыре модуля стандартного размера 155 х 95 х 30 мм. Кроме этого там должны быть соединительные провода, но в экземпляре, с которым имел дело автор, они отсутствовали, но, сохранилось руководство по эксплуатации .

Логический элемент И

Первый модуль это логический элемент И , на его выходе сигнал появляется только при условии того, что сигнал приходит на оба его информационных входа.

Стандартный модуль представляет собой печатную плату, которая сверху закрыта прозрачной пластиковой крышкой, укрепленной на двух винтах.

Модуль легко разбирается, что позволяет подробно рассмотреть печатную плату устройства. С тыльной стороны печатные проводники закрыты непрозрачной пластиковой крышкой.

Логический элемент ИЛИ

Практически аналогично устроен логический элемент ИЛИ , на его выходе сигнал появляется при условии прихода сигнала на любой из его информационных входов.

Логический элемент НЕ

Логический элемент НЕ . Сигналы на входе и выходе этого элемента всегда имеют противоположные значения.

Триггер

Триггер - логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями, используется как основа для всевозможных устройств требующих хранения информации.

В целом данный набор по цифровой электроники аналогичен комплекту «Электронный усилитель». Разумеется, представленный в наборе вариант реализации логических элементов далеко не является единственным. По сути, здесь логические элементы реализованы, так как это делалось в 60-е годы XX века. В данном случае важно то, что при работе с данным набором можно непосредственно изучить простейший схемотехнический пример лежащий в самой основе цифровой полупроводниковой электроники. Таким образом, отдельный логический элемент перестает быть «черным ящиком», который работает на чистой магии. Хорошо видимая и одновременно защищенная электрическая схема, это как раз то, что нужно для изучения основ электроники. Автор обзора - Denev.

Лабораторная работа №2

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование функционирования типовых логических элементов; реализация основных и других функций на базовых элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ; применение логических элементов как коммутаторов сигналов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Микросхемы типа ЛАвыполняют логическую функцию mИ - НЕ, ИС типа ЛЕ выполняют логическую функцию mИЛИ - НЕ (m - число входов), а ИС типа ЛН выполняют логическую функцию НЕ. В одном корпусе микросхемы ЛАЗ содержится четыре логических элемента 2И-НЕ. В одном корпусе микросхемы ЛЕ1 содержится четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ. В одном корпусе микросхемы ЛН1 содержится шесть логических элементов НЕ (инверторов). Микросхема ЛН1 имеет двухтактный выходной каскад. Условные обозначения и цоколевки микросхем ЛАЗ, ЛЕ1 и ЛН1 приведены на рис. 1.

Рисунок 1

Логические элементы называют еще вентилями (коммутаторами сигналов). Это объясняется тем, что они могут задерживать или пропускать цифровую информацию по принципу обычного вентиля, предназначенного для управления потоком жидкости. Условное обозначение вентиля 2И с сигналами на его входах и выходе и временные диаграммы его работы в качестве коммутатора приведены на рис. 2.

Рисунок 2

Если на верхний вход логического элемента 2И подать прямоугольные импульсы с генератора, а на нижний вход - уровень логической единицы, то импульсы с генератора будут проходить на выход логического элемента 2И (рис. 2). Это следует из закона функционирования элемента И. Если же логическую единицу на нижнем входе заменить логическим нулем, то импульсы с верхнего входа на выход логического элемента 2И проходить не будут, так как хотя бы один нуль на входе этого элемента дает нуль на выходе.

3. ОБОРУДОВАНИЕ

В качестве измерительной аппаратуры используются стенд ЦС-02.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В работе используйте микросхемы K155JIA3, К155ЛЕ1, К155ЛН1.

1. Исследование функционирования логических элементов 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ и НЕ

1.1. Зарисуйте схемы для исследования логических элементов (см. рис. 3 а - в). Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать, и проставьте их номера на схеме.

1.2. Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.

1.3. Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выхода исследуемого логического элемента светодиодным индикатором или осциллографом. Заполните таблицы истинности элементов (табл. 1).

Таблица 1

А	В	ЛА3	ЛЕ1	ЛН1
Функция

1.4. Убедитесь в правильности функционирования логических элементов.

Рисунок 3

2. Реализация основных функций на базовых элементах И-НЕ

2.1. Зарисуйте схемы, показанные на рис. 4,а, 4,в. Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать, и проставьте их номера на схеме.

Рисунок 4

2.2.Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.

2.3.Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выходов всех логических элементов схем светодиодными индикаторами или осциллографом. Составьте таблицы истинности исследуемых схем.

2.4.Убедитесь в правильности полученных результатов, теоретически проанализировав работу исследуемых схем.

2.5.Используя полученные таблицы истинности, определите вид функции, которую выполняет каждая схема и запишите название функции в графу «вид функции» таблиц.

3. Реализация основных функций на базовых элементах ИЛИ-НЕ

3.1. Зарисуйте схемы, показанные на рис.5, а, б, в. Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать и проставьте их номера на схеме.

Рисунок 5.

3.2. Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.

3.3. Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выходов всех логических элементов схем светодиодными индикаторами или осциллографом. Заполните таблицы истинности исследуемых схем, аналогичные табл. 3...5.

3.4. Убедитесь в правильности полученных результатов, теоретически проанализировав работу исследуемых схем.

3.5. Используя таблицы истинности, определите вид функции, которую выполняет каждая схема, и запишите название функции в графу «вид функции» таблиц.

4. Реализация функций различных типов на базовых элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ

4.1. Зарисуйте схемы, показанные на рис.6, а, б. Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать, и проставьте их номера на схеме.

Рисунок 6

4.2. Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.

4.3. Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выходов всех логических элементов схем светодиодными индикаторами или осциллографом. Заполните таблицы истинности исследуемых схем.

4.4. Убедитесь в правильности полученных результатов, теоретически проанализировав работу исследуемых схем.

5. Применение логических элементов в качестве коммутаторов сигналов

5.1. Зарисуйте схемы для исследования логических элементов (см. рис.7, а - г). Проставьте на них номера выводов выбранных для исследования логических элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать и проставьте их номера на схеме.

5.2. Соберите поочередно схемы, показанные на рис.7, а, в, если для контроля входных и выходных сигналов имеются только светодиодные индикаторы. При наличии осциллографа соберите схемы, показанные на рис.7, в, г.

5.3. Наблюдайте форму сигнала на входе А логических элементов и выходного сигнала С сначала при наличии логической единицы на входе В, а затем - при наличии логического нуля. Для этого подключите к выходу схем (рис.7, а, в) светодиодный индикатор. При исследовании схем (рис.7, в, г) вход первого канала осциллографа подключите ко входу А логического элемента, а вход второго канала - к выходу логического элемента. Синхронизируйте развертку осциллографа сигналом первого канала. Зарисуйте временные диаграммы (осциллограммы) сигналов на входах и выходе исследуемых элементов для обоих случаев (рис. 8 а, б).

5.4. Убедитесь в правильности функционирования логических элементов, как коммутаторов сигналов, теоретически проанализировав их работу.

Рисунок 7

Рисунок 8

Отчет по работе должен содержать:

Наименование работы и цель работы;

Исследуемые схемы;

Таблицы истинности;

Временные диаграммы;

Сравнение экспериментальных данных с результатами теоретического анализа;

Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сколько различных комбинаций существует для четырех входных сигналов?

2. Как выглядит условное обозначение логического элемента ЗИЛИ?

3. Как изменится выходная функция логического элемента И-НЕ, если его входы проинвертировать?

4. Какие логические элементы инвертируют входные сигналы, когда пропускают их на выход?

5. Какие сигналы надо подать на два остальных входа логического элемента ЗИЛИ, чтобы импульсы с первого входа проходили на выход?

Транзистор - это компонент из полупроводникового материала, который позволяет управлять достаточно большим электрическим током в цепи за счет изменения тока более малой величины на управляющем электроде.

Существуют биполярные и полевые транзисторы. Различаются они тем, что в биполярном транзисторе перенос зарядов осуществляется как основными, так и неосновными носителями зарядов - дырками и электронами. В полевых транзисторах перенос зарядов осуществляется только одним типом носителей.

Синтез и исследование элементов на транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ). Схемы ТТЛ базируются на биполярных транзисторах npn-структуры. Биполярные транзисторы имеют такое название от того, что перенос зарядов в них осуществляется двумя типами носителей - электронами и дырками. Базовым элементом данной технологии является схема И-НЕ. Логическое умножение осуществляется за счет свойств многоэмиттерного транзистора.

Элемент ИЛИ-НЕ.

Реализация логического элемента ИЛИ-НЕ на биполярных транзисторах представлена на рисунке 1.1.

Логическую функцию ИЛИ-НЕ можно выразить функции И и НЕ с помощью правил де Моргана: отрицание дизъюнкции есть конъюнкция отрицаний. На схема имеется два инвертора VT1 и VT2 на которые подаются с помощью ключей и напряжения противоположных полярностей. При подаче логического нуля на оба входа («земля») происходит разряжение в p-области транзистора, он становится закрытым, при этом ток начинает течь через транзисторы VT3, VT4, которые выполняют функцию И, уровень напряжения достаточен для обеспечения логической единицы. Если хотя бы на один вход будет подана логическая единица («плюс»), то произойдёт падение напряжение на одном из выходов инверторов, напряжения на выходе И не будет достаточно для обеспечения логической единицы.

Рисунок 1.1 - Логический элемент ИЛИ-НЕ на биполярных транзисторах

Рисунок 1.2 - на входы элемента ИЛИ-НЕ поданы логические нули

На рисунке 1.2 представлен вариант работы транзисторной схемы, когда на входы поданы логические нули, в результате на выходе будет значение логической единицы.

Элемент ИЛИ-НЕ рождает следующую таблицу истинности (см. таб. 1.1):

Таблица 1.1 - Таблица истинности элемента ИЛИ-НЕ

Элемент НЕ.

Элемент НЕ на ТТЛ представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Логический инвертор (логическая функция НЕ)

При установке переключателя на сторону «плюса», течёт малый эмиттерный ток, этот ток позволяет открыть транзистор, происходит падение напряжения и индикатор не загорается, что соответствует логическому нулю. При установке ключа на сторону «земли», происходит расширение закупоривающего слоя, сопротивление транзистора становится много больше сопротивления резистора, транзистор закрыт, падения напряжения не происходит, что соответствует логической единице.

Таблица истинности элемента НЕ (см. таб. 1.2).

Таблица 1.2 - Таблица истинности элемента НЕ

При подаче логических единиц путём замыкания ключей и через транзисторы около этих ключей протекает достаточный ток и на входе в инвертирующий транзистор поступает достаточное напряжение для его открытия, ток свободно течёт, сопротивление инвертирующего транзистора невелико, напряжение падает на резисторе при инверторе, на выходе логический нуль.

При подаче на ключи или единицы или нуля, или обоих нулей, выходного напряжения в инвертор не достаточно для его открытия, его сопротивление велико и на его коллекторе образуется высокий уровень напряжения, на выходе логический нуль.

Схема элемента И-НЕ со сложным инвертором представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Элемент И-НЕ со сложным инвертором

Таблица истинности для данного элемента соответствует таблице 1.3.

Данный элемент состоит из трёх каскадов: входной (R1, VT1,VT2 - модель многоэмиттерного транзистора), фазоинверсный (VT3, R2, R4) и выходной усилитель (VT4, VT5, VD3, R3).

При подаче на входы x 1 и x 2 логических единиц возникает коллекторный ток на транзисторах VT1,VT2 и втекает в базу транзистора VT3, открывая его. Часть тока эмиттера VT3 поступает в транзистор VT5, он открывается, на выходе y устанавливается низкий уровень напряжения, при этом VT4 закрыт (недостаточно напряжения через переход база-эмиттер VT4 и VD1). При подаче хотя бы одного логического нуля, коллекторный ток транзисторов VT1, VT2 прекращается, VT3 и VT5 закрываются, VT4 открывается. Так как VT5 закрыт на выходе образовывается высокий уровень напряжения.

Синтез и исследование элементов на МДП-транзисторах.

Развитие компьютерной схемотехники на основе МОП-транзисторов началось с появлением в 1962 г. полевого транзистора с индуцированным каналом. Схемы на МОП-транзисторах характеризуются относительной простотой изготовления, компактностью, малой потребляемой мощностью, высокой помехоустойчивостью к изменению напряжения питания. МОП-транзисторы имеют структуру: металл-диэлектрик-полупроводник и в общем случае называются МДП-транзисторами. Поскольку диэлектрик реализуется на основе оксида SiO 2 , то применяют название МОП-транзисторы (униполярные, канальные). Металлический электрод, на который поступает управляющее напряжение, называется затвором (З) а два других электрода -- истоком (И) и стоком (С). От истока к стоку протекает рабочий ток. Для р-канала полярность стока отрицательная, а для п-канала -- положительная. Основная пластина полупроводника называется подкладкой (П). Канал -- это приповерхностный проводящий слой между истоком и стоком, в котором величина тока определяется с помощью электрического поля.

Процессы инжекции и диффузии в канале отсутствуют. Рабочий ток в канале обусловлен дрейфом в электрическом поле электронов в n-каналах и дырок в р-каналах.

При нулевом значении управляющего напряжения канал отсутствует и ток не протекает. Канал, который образуется под действием внешнего управляющего напряжения, называется индуцированным. Напряжение, при котором образуется канал, называется пороговым. Канал с начальной дополнительной концентрацией зарядов называется встроенным. Быстродействие n-МОП транзисторов в 5-8 раз выше быстродействия р-МОП транзисторов, поскольку подвижность электронов существенно больше дырок. В МОП-схемах полностью исключены резисторы, их роль выполняют МОП-транзисторы.

Элемент ИЛИ-НЕ,.

Схема элемента ИЛИ-НЕ изображена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Элемент ИЛИ-НЕ на МОП-транзисторах

Транзистор VT1 выполняет роль резистора так как МОП-транзисторы обладают высоким сопротивлением, для того, чтобы он пропускал ток, исток подключен к положительному полюсу источника. При одновременной подаче на транзисторы VT2 и VT3 логических нулей, происходит их закрытие, они создают нагрузку после транзистора VT1, уровень этого напряжения соответствует логической единице. Таблица истинности данного элемента соответствует таблице 1.1. Если на вход будет подана хотя бы одна или обе логических единиц, один из транзисторов VT2 и VT3 (или оба) откроются, произойдет спад напряжения, на выходе буде логический ноль.

Элемент И-НЕ.

Элемент И-НЕ представлен на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Элемент И-НЕ на МОП-транзисторах

Элемент ИЛИ.

Элемент И.

Синтез и исследование элементов на КМДП структурах.

Элемент ИЛИ-НЕ.

Элемент И-НЕ.

Синтез и исследование элементов на основе эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ).

Схемотехника элементов ЭСЛ основана на использовании дифференциального усилителя в режиме переключения тока. Элементы ЭСЛ появились в 1967 г. и в настоящее время являются самыми быстродействующими среди полупроводниковых элементов на основе кремния. Задержки распространения сигналов в элементах ЭСЛ уменьшились до субнаносекундного диапазона (приблизительно 1 нс).

Сверхбыстродействие элементов ЭСЛ достигается за счет использования ненасыщенного режима работы транзисторов, выходных эмиттерных повторителей, малых амплитуд логических сигналов (около 0,8 В). В логических элементах ЭСЛ имеется парафазный выход, что позволяет одновременно получать прямое и инверсное значение реализуемой функции. Это дает заметное снижение общего количества микросхем в аппаратуре.

Особенностями схемотехники ЭСЛ и ее характеристик являются:

Возможность объединения выходов нескольких элементов для образования новых функций;

Возможность работы на низкоомную нагрузку благодаря наличию эмиттерных повторителей;

Небольшое значение работы переключения и независимость потребляемой мощности от частоты переключения;

Высокая стабильность динамических параметров при изменении температуры и напряжения питания;

Использование отрицательного источника питания и заземления коллекторных цепей, что уменьшает зависимость выходных сигналов от помех в шинах питания.

К недостаткам элементов ЭСЛ относят сложность схем, значительное потребление мощности и трудности согласования с микросхемами ТТЛ и ТТЛШ.

Элемент И.

Элемент ИЛИ.

Элемент И-НЕ.

Элемент ИЛИ-НЕ.

Синтез и исследование элемента НЕ на МДП-транзисторах () в положительной и отрицательной логике.

Электрическая схема, предназначенная для выполнения какой-либо логической операции с входными данными, называется логическим элементом. Входные данные представляются здесь в виде напряжений различных уровней, и результат логической операции на выходе - также получается в виде напряжения определенного уровня.

Операнды в данном случае подаются - на вход логического элемента поступают сигналы в форме напряжения высокого или низкого уровня, которые и служат по сути входными данными. Так, напряжение высокого уровня - это логическая единица 1 - обозначает истинное значение операнда, а напряжение низкого уровня 0 - значение ложное. 1 - ИСТИНА, 0 - ЛОЖЬ.

Логический элемент - элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, независимо от их физической природы, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов.

Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два (обычно инверсных друг другу) выхода. Значения «нулей» и «единиц» выходных сигналов логических элементов определяются логической функцией, которую выполняет элемент, и значениями «нулей» и «единиц» входных сигналов, играющих роль независимых переменных. Существуют элементарные логические функции, из которых можно составить любую сложную логическую функцию.

В зависимости от устройства схемы элемента, от ее электрических параметров, логические уровни (высокие и низкие уровни напряжения) входа и выхода имеют одинаковые значения для высокого и низкого (истинного и ложного) состояний.

Традиционно логические элементы выпускаются в виде специальных радиодеталей - интегральных микросхем. Логические операции, такие как конъюнкция, дизъюнкция, отрицание и сложение по модулю (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ) - являются основными операциями, выполняемыми на логических элементах основных типов. Далее рассмотрим каждый из этих типов логических элементов более внимательно.

Логический элемент «И» - конъюнкция, логическое умножение, AND

«И» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход.

Условные обозначения логических элементов «И» с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент «И» с тем или иным числом входов обозначается как «2И», «4И» и т. д. - элемент «И» с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.

Таблица истинности для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль.

На западных схемах значок элемента «И» имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах - прямоугольник с символом «&».

Логический элемент «ИЛИ» - дизъюнкция, логическое сложение, OR

«ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Он так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ и т. д.

Таблица истинности для элемента «2ИЛИ» показывает, что для появления на выходе логической единицы, достаточно чтобы логическая единица была на первом входе ИЛИ на втором входе. Если логические единицы будут сразу на двух входах, на выходе также будет единица.

На западных схемах значок элемента «ИЛИ» имеет закругление на входе и закругление с заострением на выходе. На отечественных схемах - прямоугольник с символом «1».

Логический элемент «НЕ» - отрицание, инвертор, NOT

«НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического отрицания. Данный элемент, имеющий один выход и только один вход, называют еще инвертором, поскольку он на самом деле инвертирует (обращает) входной сигнал. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «НЕ».

Таблица истинности для инвертора показывает, что высокий потенциал на входе даёт низкий потенциал на выходе и наоборот.

На западных схемах значок элемента «НЕ» имеет форму треугольника с кружочком на выходе. На отечественных схемах - прямоугольник с символом «1», с кружком на выходе.

Логический элемент «И-НЕ» - конъюнкция (логическое умножение) с отрицанием, NAND

«И-НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Другими словами, это в принципе элемент «И», дополненный элементом «НЕ». На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2И-НЕ».

Таблица истинности для элемента «И-НЕ» противоположна таблице для элемента «И». Вместо трех нулей и единицы - три единицы и ноль. Элемент «И-НЕ» называют еще «элемент Шеффера» в честь математика Генри Мориса Шеффера, впервые отметившего значимость этой в 1913 году. Обозначается как «И», только с кружочком на выходе.

Логический элемент «ИЛИ-НЕ» - дизъюнкция (логическое сложение) с отрицанием, NOR

«ИЛИ-НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Иначе говоря, это элемент «ИЛИ», дополненный элементом «НЕ» - инвертором. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2ИЛИ-НЕ».

Таблица истинности для элемента «ИЛИ-НЕ» противоположна таблице для элемента «ИЛИ». Высокий потенциал на выходе получается лишь в одном случае - на оба входа подаются одновременно низкие потенциалы. Обозначается как «ИЛИ», только с кружочком на выходе, обозначающим инверсию.

Логический элемент «исключающее ИЛИ» - сложение по модулю 2, XOR

«исключающее ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения по модулю 2, имеет два входа и один выход. Часто данные элементы применяют в схемах контроля. На рисунке приведено условное обозначение данного элемента.

Изображение в западных схемах - как у «ИЛИ» с дополнительной изогнутой полоской на стороне входа, в отечественной - как «ИЛИ», только вместо «1» будет написано «=1».

Этот логический элемент еще называют «неравнозначность». Высокий уровень напряжения будет на выходе лишь тогда, когда сигналы на входе не равны (на одном единица, на другом ноль или на одном ноль, а на другом единица) если даже на входе будут одновременно две единицы, на выходе будет ноль - в этом отличие от «ИЛИ». Данные элементы логики широко применяются в сумматорах.