Схемные решения основных логических элементов

Диодно-резисторные логические схемы (ДРЛ)

На рис. 14.5 приведены схемы ЛЭ, построенные на диодах и резисторах. Диоды в схемах исключают передачу сигналов между выходами и с выхода на вход. Резистор является элементом конструктивной нагрузки, который исключает короткое замыкание источника сигнала через электронно-дырочный переход открытого диода.

В схемах ДРЛ в качестве диодов могут применяться: кремниевые диоды, эмиттерные переходы транзисторов при включении в диодном режиме и диоды Шоттки. Применение разных видов приборов, обладающих односторонней проводимостью, влияет на уровень выходного напряжения в схеме, который зависит от напряжения запирания (U ) и падения напряжения на открытом диоде( ?/_до).

Напряжение запирания кремниевого диода или эмиттерного перехода транзистора равно ?/_дз = 0,6 В, диода Шоттки ?/_дшз = 0,3 В. Падение напряжения на открытом кремниевом диоде и эмиттерном переходе транзистора U = 1/_эо = (0,7—0,8) В, а в диоде Шоттки С/_Дшо = 0,4 В. Падение напряжения ?/_дшо почти в два раза меньше ?/_до = U₃₀, что указывает на уменьшение потерь сигнала на выходе по сравнению с сигналом на входе в диодах Шоттки. Малое, по сравнению с кремниевыми диодами, напряжение закрытия у диодов Шоттки позволяет уменьшить амплитуду управляющего сигнала и потребляемую мощность. Для диодов Шоттки время переклю-

Рис. 14.5. Схемы логических элементов в диодно-резисторной логике построения схемотехнических решений в положительной логике работы (а), в отрицательной логике работы (б) и временные диаграммы напряжений для схемы в положительной логике работы (в)

чения перехода (из открытого состояния диода в закрытое) составляет не более 1 нс. В других полупроводниковых структурах время переключения составляет несколько десятков наносекунд, т.е. диоды Шоттки — более быстродействующие.

Поэтому предпочтение в схемах ДРЛ отдается переходам на структурах электронно-дырочных переходов Шоттки.

Рассмотрим схемы в ДРЛ (рис. 14.5), а также входные и выходные сигналы, булевы функции в положительной (ПЛ) и отрицательной (ОЛ) логиках.

Необходимо отметить, что для работы схемотехнических решений ДРЛ по схемам, показанным на рис. 14.5, необходимо учитывать, что в схемах между клеммами входа и общей шины включено начальное (исходное) входное напряжение, которое меньше уровня лог.О, т.е. U⁰ <0,6 В (в схемах нет источника питания). Амп-

ВХ

литуда исходного напряжения, полярность которого определяется 550

логикой построения и работы схемы, недостаточна для открытия диодов, но позволяет определить уровень сигнала на выходе. Если не учитывать исходное напряжение на входах схемы, то отсутствует логический смысл рассматривать уровень выходного сигнала при закрытых диодах.

Если на всех входах схемы (рис. 14.5, а) в исходном состоянии включить источники входных сигналов «минусом» на общую шину, то работу схемы и представление информации необходимо рассматривать в положительной логике (ПЛ). Если снизить положительный сигнал до уровня лог.О (?/° <0,6 В), то диоды закроются за счет действия напряжения обратного смещения от источника начального (исходного) напряжения, и на выходе будет нулевой (отрицательный) потенциал с уровнем лог.О, равный U⁰ =0 В (об-

ВХ

щая шина, на которой отрицательный потенциал по амплитуде равен амплитуде напряжения (7° ), так как на диодах присутствует обратное смещение, равное напряжению U =(/°, и отсутству-

ДЗ ВХ

ет прямой ток диода.

При подаче на один из входов (например, Вх1) схемы (рис. 14.5, а) положительного потенциала относительно общей шины, т.е. лог. 1 ((У¹ >0,6 В), а на остальные входы — отрицательного потенциала

ВХ

относительно общей шины (лог.О), создается прямое смещение на диоде VD1, которое превышает уровень логического нуля (t/° ), т.е.

ВХ

напряжение по амплитуде достаточно для прямого смещения дио- да, и через открытый диод VD1 протекает ток /j. Этот ток создает падение напряжения на нагрузочном резисторе R (6/_R), которое для всех других диодов является запирающим, и диоды остаются в закрытом состоянии, а на выходе действует положительный потенциал с резистора R.

Амплитуда выходного положительного напряжения определяется как разность между амплитудой входного сигнала и падением напряжения на открытом переходе диода (в данном примере VD1). Для схемы с кремниевыми диодами временные диаграммы и амплитуды входных и выходных сигналов показаны на рис. 14.5, в.

Таким образом, на выходе логического элемента образуется сигнал лог.1, если хотя бы на одном из входов действует лог.1 (+) в ПЛ. Следовательно, схема реализует логическую функцию дизъюнкции (операцию ИЛИ) на сигналах высокого уровня (лог.1) в ПЛ и логическую функцию И на сигналах низкого уровня лог.О в ПЛ.

Следовательно, схема ДРЛ рис. 14.5, а, является схемой ЛЭ «ИЛИ» в ПЛ, реализующей функцию ИЛИ на лог.1 — сигналах высокого уровня, и функцию «И» на лог.О — сигналах низкого уровня. Таким образом, если хотя бы на один из входов подан сигнал лог.1, то и на выходе будет сигнал лог.1, а если на все входы подан сигнал лог.О, то и на выходе будет лог.О (рис. 14.6).

Рис. 14.6. Временные диаграммы напряжений для схемы в положительной логике работы логического элемента ИЛИ

Аналогично действует схема ДРЛ (рис. 14.6, а) в отрицательной логике. В этой схеме функция ИЛИ выполняется на отрицательных сигналах (лог.1), а функция И на положительных сигналах

(лог.О). Следует также отметить, что для задания логики построения схемы и логики представления информации необходимо рассмотреть включение источника напряжения для задания нулевого и единичного уровней сигнала по аналогии со схемой на рис. 14.5, а.

Временные диаграммы работы для схемы в отрицательной логике построения аналогичны временным диаграммам, показанным на рис. 14.5, в, но для отрицательной логики представления информации они должны изображаться в четвертой четверти системы координат. Следовательно, схема ДРЛ на рис. 14.5, б, является схемой ЛЭ «ИЛИ» в ОЛ.

Рассмотрим примеры простейших схемотехнических решений в диодно-резисторной логике (ДРЛ), в которых применяется дополнительный источник питания (источник смещения U_CM), фиксирующий выходной сигнал на уровне логической единицы (лог. 1) в отрицательной и положительной логиках работы. Напряжение смещения по амплитуде должно превышать амплитуду сигнала управления, т.е. лог. 1, в два раза. Для выпускаемых ИМС серии ДРЛ напряжение смещения установлено равным 5 В.

На рис. 14.7 приведены две схемы с разным направлением включения диодов относительно входов и с противоположной полярностью включения источника смещения (U_CM).

На рис. 14.7, а, источник смещения U_CM подключен отрицательным полюсом к общей шине, что соответствует построению схемы

Рис. 14.7. Схемы логических элементов в диодно-резисторной логике построения схемотехнических решений с дополнительным источником в положительной логике работы (а), в отрицательной логике работы (б) и временные диаграммы напряжений для схемы в положительной логике работы (в)

в положительной логике, а на рис. 14.7, б, источник смешения подключен положительным полюсом к общей шине, что соответствует построению схемы в отрицательной логике.

Рассмотрим схему на рис. 14.7, а, в положительной логике построения и представления информации. В исходном состоянии при отсутствии входных сигналов диоды открыты напряжением смешения U_CM, которое действует на диоды через малое внутреннее сопротивление источника входного сигнала г_0вх как прямое смещение (напомним, что отсутствие входного сигнала рассматривается при условии ?/_вх = 0, но источник подключен на входе). Сопротивление нагрузки R шунтируется малым внутренним сопротивлением входного источника г_0вх и малым дифференциальным сопротивлением диода при прямом смешении. Через диоды протекает ток, за счет которого создается падение напряжения на резисторе R, «минусом» действующее на выход, поэтому на выходе схеме потенциал близок к лог.О. Уровень потенциала на выходе равен амплитуде падения напряжения на диоде при прямом смещении, т.е. на открытом диоде (U = 0,7 В) и практически соответствует уровню лог.О (на рис. 14.7, в, интервал времени /₀—/,).

Если на все входы подать положительный потенциал с уровнем напряжения лог.О ( ?/° < 0,6 В), то на всех диодах присутствует прямое смещение и диоды остаются открытыми. Прямое смещение на диодах в этом случае определяется алгебраической суммой напряжений U^G и , которые относительно диода включены последо-

вх ^см

вательно и действуют встречно, и общее напряжение определяется по формуле U _VD = U -t/V Таким образом, через открытые диоды протекают токи, например цепь протекания тока /, через диод VD1: + СТ_М -> R -> VD1 -> +-U° , -» -U⁰ Л1) - ?/ . Ток че- рез диод VD2 имеет аналогичную цепь протекания. Для определения амплитуды сигнала на выходе необходимо определить напряжение на элементах схемы между точкой выхода и общей шиной, полярность выходного напряжения показана на рис. 14.7, а.

В одной из цепей между точкой выхода и общей шиной включены диод и источник входного сигнала, и выходное напряжение определяется как разность между напряжением входного сигнала (—С/° . <0,6 В), так как напряжения действуют встречно, и падени- ем напряжения на дифференциальном сопротивлении диода при прямом смещении (?/_до = 0,7 В), которое создается при протекании тока /j. Таким образом, амплитуда выходного сигнала оказывается равной ?/_вых = (7_Д0 —(7° = 0,7—0,6 = 0,1 В (на рис. 14.7, в, интервал /₂). Из приведенных расчетов видно, что на выходе схемы действует сигнал лог.О, так как амплитуда выходного сигнала значительно меньше допустимого уровня лог.О, равного U⁰ <0,6 В, но по знаку в положительной логике положительный (показано на временных диаграммах на рис. 14.7, в), т.е. отмечен выше оси абсцисс. Амплитуду выходного сигнала можно определить и по цепи, состоящей из нагрузочного резистора R и источника смещения, т.е. цепи, которая также включена между точкой выхода и общей шиной.

Таким образом, уровень сигнала лог.О на входе ?7° также обеспечивает открытие диода при условии %_х-^_дз ⁼0,6В. Данный уровень лог.О на входах показан на временных диаграммах на рис. 14.7, в.

Если на один из входов (например, Вх1) подать положительный сигнал с уровнем лог.1 (?/' >U ), то на диоде VD1 отсутствует пря-

ВХ1 см

мое смещение или создается обратное смещение, что способствует закрытию диода. Напряжение смещения на диоде определяется как разность напряжений U_CM и ?7^ , действующих встречно. В этом случае остается открытым только диод VD2, через который протекает ток /₂ по цепи: +U_CM -> R -> VD2 -> + ?7°_х2 -> -?7^(1) -U_CM. При протекании тока на резисторе R создается падение напряжения, которое меньше амплитуды напряжения источника смещения на величину падения напряжения на диоде VD2, и напряжение ?7^₂, определяется по формуле U_D = U - ?7° - U , где U„_n — паде- ние напряжения на дифференциальном сопротивлении диода при прямом смещении. Учитывая допустимые потери напряжений на указанных элементах (?/^_х2 <0,6 В, U_ao = 0,7 В) и при U_CM = 5 В, можно определить падение напряжения на резисторе: U_R = 5 — — 0,6 — 0,7 = 3,7 В, полярность напряжения которого показана на рис. 14.7, а.

Падение напряжения на резисторе надежно удерживает диод VD1 в закрытом состоянии как обратное смещение. В то же время работа схемы и сигнал на выходе лог.О не изменяются за счет лог.О на Вх2, что указывает на выполнение логической функции ИЛИ на сигнале лог.О, так как достаточно подать на один из входов сигнал лог.О и на выходе схемы получим сигнал лог.О (на рис. 14.7, в, интервал t₂—7₃).

Если на все входы подать сигнал лог.1 (U¹ =?7^г > ?7 ), то все

ВХ ВХ1 см

диоды закроются и в схеме практически прекратится протекание тока. В этом случае на выходе схемы амплитуда сигнала будет равна амплитуде напряжения источника смещения (на рис. 14.7, в, интервал /₃—/₄), что соответствует уровню лог.1 (?7_ВЫХ = ?7_СМ). В результате можно сделать вывод о том, что на сигналах лог. 1 схема выполняет логическую функцию И.

Таким образом, данное схемотехническое решение соответствует логическому элементу И, так как на сигналах лог.О выпол-

няется логическая функция ИЛИ, а на сигналах логЛ — логическая функция И.

В схеме ДРЛ в отрицательной логике построения и представления информации (рис. 14.7, б) в исходном состоянии при отсутствии входных сигналов диоды открыты, так же как и в схеме на рис. 14.7, я, напряжением смещения U_CM, которое действует на диоды через малое внутреннее сопротивление источника входного сигнала а*_0вх как прямое смещение. Через диоды и нагрузку R протекают токи, создающие падение напряжения на R. На выходе схемы действует положительный сигнал, снимаемый с R и равный лог.О.

При подаче на все входы отрицательного потенциала с уровнем лог.О (?/° <0,6 В), диоды также остаются открытыми, так как сум-

ВХ г»

марное напряжение от источников и_ш и U действует на диоды как прямое смещение (?7_bxvd ⁼ ^см ~ (7° ) и на выходе схемы положительный сигнал также равен лог.О.

Если на один из входов (например, Вх1) подать отрицательный потенциал с уровнем лог. 1 (?/' >U ), то на диоде VD1 создает-

вх см

ся обратное смещение, что способствует закрытию диода. Напряжение смещения на диоде определяется как разность напряжений U_CM и U¹ , действующих встречно. В этом случае открытым остается только диод VD2, через который протекает ток /₂, и на выходе схемы остается положительный сигнал лог.О. Таким образом, можно утверждать, что на сигналах лог.О в схеме выполняется логическая функция ИЛИ.

Аналогично, как и для схемы на рис. 14.7, а, можно рассмотреть и работу схемы (рис. 14.7, б) при подаче на все входы отрицательного сигнала лог. 1. В этом случае в схеме на выходе действует отрицательный потенциал лог.1, что указывает на выполнение логической функции И на лог.1, а схемотехническое решение соответствует логическому элементу И.

Таким образом, видно, что схемотехническое решение ДРЛ с источником смещения (рис. 14.7) в положительной и отрицательной логике построения и представления информации являются логическими элементами И.

Для реализации сложных логических функций применяется каскадное включение диодных логических элементов в схемах ДРЛ (рис. 14.8). При положительной логике здесь имеет место каскадное

Рис. 14.8. Схема каскадного включения логических элементов в диодно-резисторной логике построения схемотехнических решений (ДРЛ)

соединение элементов И-ИЛИ-И. Единичный сигнал (лог.1) на выходе появляется в том случае, если на входы Вх.7 и Вх.8 поданы логические единицы и на выходе логического элемента ИЛИ — логическая единица. Последнее возможно в тех случаях, когда на выходе первого элемента И имеется лог.1 или на один из входов Вх.4 или Вх.5 подана лог.1. Логическая единица на выходе первого каскада И будет в случае одновременной подачи лог. 1 на все входы (ВхЛ, Вх.2 и Вх.З). Таким образом, с помощью простых соединений логических элементов ДРЛ реализуется логическая функция:

Диодно-резисторные схемы используются в диодно-транзисторной логике (ДТЛ), преобразователях уровней, постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ), программируемых постоянных запоминающих устройствах (ППЗУ), программируемых логических матрицах (ПЛМ) и в других устройствах. К недостаткам простейших ДРЛ элементов относятся снижение выходного напряжения по сравнению с входным из-за его падения на открытом диоде и нестабильность уровней выходных напряжений. Первый недостаток ограничивает число ступеней, включенных каскадно-последовательно (на практике не больше трех), а второй — ухудшает стабильность работы цепи от внешних воздействий.