Логические вентили схемы структуры реферат

Обновлено: 05.07.2024

Для студентов Рязанского Государственного Радиотехнического Университета: актуальная и полезная информация, касающаяся учебы в РГРТУ; лекции по предметам; методические указания; рекомендуемая литература; решение контрольных и курсовых.

вторник, 29 июля 2014 г.

Логические вентили, схемы, структуры

Любой, самый примитивный компьютер – сложнейшее техническое устройство. Но даже такое сложное устройство, как и все в природе и в технике, состоит их простейших элементов. Любой компьютер, точнее, любой его электронный логический блок состоит из десятков и сотен тысяч так называемых вентилей (логических устройств, базовых логических схем), объединяемых по правилам и законам (аксиомам) алгебры вентилей в схемы, модули.

Логический вентиль (далее – просто вентиль) – это своего рода атом, из которого состоят электронные узлы ЭВМ. Он работает по принципу крана (отсюда и название), открывая или закрывая путь сигналам.

Логические схемы предназначены для реализации различных функций алгебры логики и реализуются с помощью трех базовых логических элементов (вентилей, логических схем или так называемых переключательных схем). Они воспроизводят функции полупроводниковых схем.

Работу вентильных, логических схем мы, как и принято, будем рассматривать в двоичной системе и на математическом, логическом уровне, не затрагивая технические аспекты (аспекты микроэлектроники, системотехники, хотя они и очень важны в технической информатике).

Логические функции отрицания, дизъюнкции и конъюнкции реализуют, соответственно, логические схемы, называемые инвертором, дизъюнктором и конъюнктором.

Логическая функция "инверсия", или отрицание, реализуется логической схемой (вентилем), называемой инвертор.

Принцип его работы можно условно описать следующим образом: если, например, "0" или "ложь" отождествить с тем, что на вход этого устройства поступило напряжение в 0 вольт, то на выходе получается 1 или "истина", которую можно также отождествить с тем, что на выходе снимается напряжение в 1 вольт.

Аналогично, если предположить, что на входе инвертора будет напряжение в 1 вольт ("истина"), то на выходе инвертора будет сниматься 0 вольт, то есть "ложь".

Схематически инвертор, дизъюнктор и конъюнктор на логических схемах различных устройств можно изображать условно следующим образом.

Из указанных простейших базовых логических элементов собирают, конструируют сложные логические схемы ЭВМ, например, сумматоры, шифраторы, дешифраторы и др. Большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы содержат в своем составе (на кристалле кремния площадью в несколько квадратных сантиметров) десятки тысяч вентилей. Это возможно еще и потому, что базовый набор логических схем (инвертор, конъюнктор, дизъюнктор) является функционально полным (любую логическую функцию можно представить через эти базовые вентили), представление логических констант в них одинаково (одинаковы электрические сигналы, представляющие 1 и 0) и различные схемы можно "соединять" и "вкладывать" друг в друга.

Таким способом конструируются более сложные узлы ЭВМ – ячейки памяти, регистры, шифраторы, дешифраторы, а также сложнейшие интегральные схемы.

Пример. В двоичной системе таблицу суммирования цифры x и цифры y и получения цифры z с учетом переноса p в некотором разряде чисел x и y можно изобразить таблицей вида:

Аннотация: Рассматриваются основные теоретические (математические, логические) понятия и сведения, касающиеся базовых логических элементов и структур – логических вентилей, логических (переключательных) схем, логической базы аппаратуры ЭВМ и их оптимальной структуры, оптимизации их структур.

Любой, самый примитивный компьютер – сложнейшее техническое устройство. Но даже такое сложное устройство, как и все в природе и в технике, состоит из простейших элементов. Любой компьютер , точнее, любой его электронный логический блок состоит из десятков и сотен тысяч так называемых вентилей (логических устройств, базовых логических схем ), объединяемых по правилам и законам (аксиомам) алгебры вентилей в схемы , модули .

Логический вентиль (далее – просто вентиль ) – это своего рода атом , из которого состоят электронные узлы ЭВМ. Он работает по принципу крана (отсюда и название), открывая или закрывая путь сигналам.

Логические схемы предназначены для реализации различных функций алгебры логики и реализуются с помощью трех базовых логических элементов ( вентилей , логических схем или так называемых переключательных схем ). Они воспроизводят функции полупроводниковых схем.

Логические функции отрицания, дизъюнкции и конъюнкции реализуют, соответственно, логические схемы , называемые инвертором , дизъюнктором и конъюнктором .

Логическая функция " инверсия ", или отрицание , реализуется логической схемой ( вентилем ), называемой инвертор .

Принцип его работы можно условно описать следующим образом: если, например, "0" или " ложь " отождествить с тем, что на вход этого устройства скачкообразно поступило напряжение в 0 вольт, то на выходе получается 1 или " истина ", которую можно также отождествить с тем, что на выходе снимается напряжение в 1 вольт.

Аналогично, если предположить, что на входе инвертора будет напряжение в 1 вольт (" истина "), то на выходе инвертора будет сниматься 0 вольт, то есть " ложь " ( схемы на рисунках 6.1 а, б).

Функцию отрицания можно условно отождествить с электрической схемой соединения в цепи с лампочкой (рис. 6.2), в которой замкнутая цепь соответствует 1 (" истина ") или х = 1 , а размыкание цепи соответствует 0 (" ложь ") или х = 0 .

$х\lor у$

Дизъюнкцию реализует логическое устройство ( вентиль ) называемое дизьюнктор (рис. 6.3 а, б, в):

Дизъюнктор условно изображается схематически электрической цепью вида (рис. 6.4)

$х\land y$

Конъюнкцию реализует логическая схема ( вентиль ), называемая конъюнктором (рис. 6.5 а, б, в):

Начиная с середины 80-х годов прошлого столетия, прогресс в создании комплементарных МДП-схем (КМДП-схем) позволил значительно улучшить их характеристики такие как высокое быстродействие и малую потребляемую мощность, совместимость с семейством TTL-ИМС.

КМДП-логика является одновременно наиболее подходящей и самой простой для создания логических схем.

В настоящее время КМДП-схемы (КМОП-схемы) составляют подавляющую часть мирового рынка ИМС. В большинстве новых СБИС типа микропроцессоров и блоков памяти использована КМДП-технология.

Основные свойства ЛЭ на дополняющих МДП-транзисторах (КМДП-ИМС), выгодно отличающие их от ИМС на МДП-транзисторах n-типа:

1.малая потребляемая мощность в статическом режиме (микроватты);

3.высокая помехоустойчивость за счет большого перепада уровней сигналов логических 1 (3. 5. 5.0 В) и 0 (0. 1.5 В);

4.новые логические возможности за счет взаимодополняющих структур;

5.высокая нагрузочная способность (n>20).

Логические КМДП-элементы отличаются тем, что для каждого логического входа необходимо применять транзистор n-типа и связанный с ним по затвору транзистор р-типа.

На основе КМДП могут быть построены элементы ИЛИ-НЕ положительной логики при параллельном включении транзисторов n-типа и последовательном включении транзисторов р-типа и элементы ИЛИ-НЕ отрицательной логики при параллельном включении транзисторов р-типа и последовательном включении транзисторов n-типа.

Рис. 1. ЛЭ на комплементарных МДП-транзисторах:

а) схема элемента ИЛИ-НЕ б) схема элемента И-НЕ

Для построения элемента ИЛИ-НЕ на m входов потребуется последовательное (ярусное) включение m транзисторов р-типа и параллельное включение m транзисторов n-типа (положительная логика). Обычно коэффициент объединения по входу m4. Соответственно для выполнения элемента И-НЕ на m входов потребуется ярусное включение m транзисторов n-типа и параллельное включение m транзисторов р-типа (положительная логика).

На рис. 1 приведены двухвходовые элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ положительной логики на KMДП. Рассмотрим подробнее работу элемента ИЛИ-НЕ.

При поступлении на вход логической 1 (напряжение, близкое к +U) открывается транзистор n-типа, а связанный с ним по затвору транзистор р-типа запирается. На выходе формируется уровень логического 0, близкий к потенциалу общей шины.

Когда на входы и Х₂ поданы одинаковые уровни логического 0, то оба транзистора n-типа запираются и отпираются оба транзистора р-типа, что приводит к формированию на выходе уровня логической 1, близкою к +U. Так как в состоянии Y=0 открыт транзистор n-типа, а в состоянии Y=l открыты транзисторы р-типа, то перезаряд емкости нагрузки всегда осуществляется через открытый МДП-транзистор.

В КМДП-схемах при любой комбинации входных сигналов выход никогда не бывает соединен одновременно с шиной питания и с землей; в этом случае напряжение на выходе было бы где-то посередине между низким и высоким уровнями (между 0 и 1) и не соответствовало бы ни одному из логических уровней, а выходная цепь потребляла бы чрезмерно большую мощность из-за малого сопротивления между шиной питания и землей.

Поскольку в статическом состоянии транзисторы n- и р-типов не могут быть открыты одновременно, статическая мощность равна напряжению источника питания, умноженному на ток утечки закрытого прибора. Эта мощность составляет 0, 1 . 1 мкВт/вентиль.

Динамическая мощность КМДП-БИС значительно больше, но это имеет место лишь при перезарядке паразитных емкостей нагрузки во время действия фронта импульса. Динамическая мощность ИМС может быть определена как:

где С_н – емкость нагрузки;

f_p – рабочая частота;

U – напряжение источника питания;

Для снижения динамической мощности необходимо уменьшать паразитные емкости затворов в составе БИС, то есть переходить на субмикронные размеры МДП-транзисторов.

Поскольку пороговое напряжение р-канального прибора U_op выше, чем у n-канального , напряжение питания должно быть выше U_op . В этом случае обеспечивается высокая помехоустойчивость ЛЭ и хорошее быстродействие.

Типовые значения мощности, потребляемой в динамическом режиме отдельными КМД-ИМС при различных частотах, находятся в пределах:

50. . .100 мкВт/вентиль при f_p =100 кГц;

200. . .400 мкВт/вентиль при f_p =400 кГц;

500. 1000 мкВт/вентиль при f_p =l МГц;

В составе БИС эти значения уменьшаются еще на один-два порядка.

Указанные значения мощности в 5…1О раз ниже, чем у вентилей, выполненных на основе МДП-транзисторов одной структуры.

Построение ЛЭ на основе КМДП отличается высокой гибкостью. Например, на четырех транзисторах р-типа и четырех транзисторах n-типа путем изменения схемы соединения могут быть получены девять видов элементов, выполняющих различные логические функции.

Наряду с технологическими трудностями сравнительно большое число компонентов на функцию создает дополнительные ограничения для создания КМДП-БИС по сравнению с МДП-БИС n-типа. Однако сверхмалая мощность КМДП-ИИС и высокое быстродействие обеспечили широкое применение ИМС сверхвысокой степени интеграции (БИС и СБИС) на комплементарных МДП-структурах.

Неинвертирующие вентили

В КМДП-логике и в большинстве других логических семейств простейшими являются схемы инверторов, а следом за ними идут элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Обычно невозможно создать неинвертирующий вентиль с меньшим числом транзисторов, чем в простом инверторе.

Неинвертирующий КМДП-буфер, а также логические схемы И и ИЛИ получаются в результате подключения инвертора к выходу соответствующего инвертирующего элемента. Реализованные таким образом неинвертирующий буфер и логический элемент И показаны на рис. 2, в и рис. 3, г соответственно.

Комбинация схемы, приведенной на рис. 1,а с инвертором даст логический элемент ИЛИ.

Рис. 2. Неинвертирующий КМДП - буфер:

а) схема электрическая принципиальная;

б) функциональное обозначение;

в) табл., описывающая работу схемы (зт-закрыт;от-открыт)

Логические элементы с вентильным и блокирующим КМДП-

транзисторами

ЛЭ этой разновидности построены с учетом положительных вентильных свойств МДП-транзисторов. В каждом двуxвxoдoвoм ЛЭ с вентильным и блокирующим КМДП-транзисторами (КМДП с ВБ) имеется один собственно вентилирующий МДП-транзистор n-типа (или р-типа) и связанный с ним по затвору второй, блокирующий МДП-транзистор р-типа (n-типа). Объединенные затворы вентильного и блокирующего транзисторов (ВТ и БТ) во всех случаях являются одним из логических входов ЛЭ, сток ВТ — вторым логическим входом, а объединенные истоки ВТ и БТ — выходом ЛЭ. Роль ВТ может выполнять транзистор n- или р-типа, а БТ может быть подключен своим стоком либо к источнику питания, либо к общему проводу. Во всех вариантах включения ВТ и БТ выполняется функция И с запретом (НЕ, И) с инверсией или без инверсии по выходу.

Рис. 4. Варианты включения вентильных и блокирующих транзисторов:

а, б – для положительной логики;

в, г – для отрицательной логики

На рис. 4 показаны четыре возможных варианта включения ВТ и БТ. В дальнейшем будем рассматривать логические схемы и устройства, работающие в положительной логике, так как ЛЭ отрицательной логики работают аналогично.

На рис. 4, а показана схема ЛЭ, выполняющего функцию НЕ, И-НЕ, где в качестве ВТ использован транзистор n-типа, а в качестве БТ – транзистор р-типа, подключаемый к источнику +U.

В схеме ЛЭ, выполняющего функцию НЕ, И (рис. 4, б), в качестве ВТ использован транзистор р-типа, а в качестве БТ — транзистор n-типа, подключаемый к общей шине. Кратко проанализируем его работу.

При сочетании сигналов =l, X₂ =1 будет открыт БТ и на выходе Y потенциал общей шины (Y=0). При сочетании сигналов =0, вновь открыт БТ и Y=0. При сочетании сигналов , X₂ =0 открыт уже ВТ, но гак как , то на выходе Y будет потенциал общейшины (Y=0). Лишь при сочетании сигналов , X₂ =0 вентильныйтранзистор р-типа будет открыт и передаст на выход Y сигнал (Y=1).

(Работу схем в,г предлагается рассмотреть самостоятельно).

Особенностью ЛЭ на КМДП с ВБ является то, что при закрытом ВТ выход элемента надежно подключается через открытый БТ либо к источнику питания U, либо к общей шине, что обеспечивает высокую помехоустойчивость рассматриваемых ИМС, как это имеет место у традиционных КМДП-ИМС.

Большие функциональные возможности открываются при проектировании цифровых устройств при совместном применении ИМС на КМДП с ВБ, выполняющих функции НЕ, И и НЕ, И-НЕ с КМДП-ИМС, выполняющих функции И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

На рис. 5 приведена схема ЛЭ, выполняющего функцию 4И-НЕ, причем два входа этой схемы являются инверсными, что обеспечивается за счет подключения двух схем НЕ, И на КМДП с ВБ к традиционной двухвходовой схеме И-HE.

Если вместо схемы И-НЕ применить двухвходовую схему ИЛИ-НЕ, то на тех же восьми дополняющих МДП-транзисторах будет реализована функция НЕ, И-ИЛИ-НЕ (рис. 2.26).

Анализируя схемы на рис. 5 и 6, можно увидеть, что схемы на КМДП с ВБ реализуют все функции, присущие элементам T-TTL. Применяя сочетания схем НЕ, И и НЕ, И-НЕ на КМДП с ВБ, подключаемых к входам традиционных схем И-НЕ, ИЛИ-НЕ и И-ИЛИ-НЕ, можно получить новые виды реализуемых функций, которые позволяют построить экономичные схемы триггеров, сумматоров, дешифраторов и других цифровых устройств.

Особенности логических элементов, реализуемых в составе БИС

Рис. 5. Логический элемент НЕ, И-НЕ на КМДП с ВБ:

а) схема элемента 4И-НЕ; 6) функциональное обозначение

Рис. 6. Логический элемент на КМДП с ВБ:

а) схема элемента НЕ, И-ИЛИ-НЕ; б) функциональное обозначение

Рассмотренные типовые схемы ЛЭ TTL-, T-TTL, ECL-, ИЛ-типов характеризуются универсальностью, так как предназначены для автономного применения в цифровых устройствах, при котором должно быть обеспечено высокое быстродействие передачи сигналов при хорошей помехоустойчивости и сравнительно высокой нагрузочной способности (типовые значения n=5…10). Однако использование этих элементов в составе кристалла БИС, где внутрисхемные связи имеют невысокую протяженность, сравнительно небольшую нагрузку и, следовательно, имеют низкую помехоустойчивость, позволяет упростить их конфигурацию и резко увеличить плотность упаковки ЛЭ в кристалле БИС. Упрощение схем ЛЭ позволяет значительно уменьшить число компонентов на реализацию вентилей И-НЕ, ИЛИ-НЕ, уменьшить потребляемую мощность и обеспечить качественный скачок при создании СБИС большой функциональной сложности.

Оценивая многообразие реализаций ЛЭ ИМС, необходимо выделить ряд наиболее приемлемых технологий БИС и СБИС, получивших наиболее широкое применение. К таким технологиям относятся биполярные и маломощные TTL-микросхемы с диодами Шотки, инжекционные логические микросхемы (ИЛ), микросхемы эмиттерно-связанной логики (ECL) и в части МДП-технологии микросхемы на полевых транзисторах. Сравнительные характеристики ЛЭ БИС для этих технологий приведены в табл.1, где отражены относительные величины важнейших параметров.

Таблица 1. Сравнительные характеристики типовых элементов

биполярной и МДП-технологий.

Тип ИМС	Относительная плотность упаковки*	Удельная мощность мВт/вентиль	Достижимая задержка на вентиль, нс
TTL-Ш	6	6	1
И Л	10	2	2
ECL	1	20	0,3
n-МДП	10	3	3
КМДП	8	0,01	1

*) За единицу взята площадь размещения на кристалле ECL-вентиля.

Прогресс в отношении быстродействия и плотности ИС за последние десятилетия, отражает закон Мура, впервые сформулированный основателем фирмы Intel Гордоном Муром в 1965г. и состоящий в том, что число транзисторов, приходящихся на квадратный дюйм в ИС, каждый год удваивается.

В последние годы темп этого движения несколько замедлился: удвоение происходит теперь каждые 18 месяцев; но важно отметить, что одновременно с удвоением плотности также вдвое увеличивается быстродействие схем.

То есть полупроводниковая техника развивается по экспоненциальному закону.

Когда только появились ИС, в одном корпусе было порядка дюжины транзисторов. Сегодня в результате экспоненциального роста плотности упаковки микропроцессоры преодолели отметку в 10 миллионов транзисторов на один кристалл. Эксперты утверждают, что менее чем через 10 лет это число достигнет 100 миллионов.

1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.

3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.

4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.

5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.

Пример готовой курсовой работы по предмету: Электроника, электротехника, радиотехника

Содержание

1 Логические элементы. Вентили

2 Основы подбора логических вентилей для построения логических схем

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

Выдержка из текста

В современных цифровых системах микроскопические транзисторы в кристалле интегральной схемы сгруппированы в системы вентилей, выполняющих логические операции над двоичными числами.

Логические элементы (или, как их еще называют, вентили, gates) — это наиболее простые цифровые микросхемы [1…18].

Именно в этой простоте и состоит их отличие от других микросхем. Как правило, в одном корпусе микросхемы может располагаться от одного до шести одинаковых логических элементов. Иногда в одном корпусе могут располагаться и разные логические элементы.

Список использованной литературы

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фисенко А. С. Построение логических схем. [Электронный ресурс]

2. Логические основы компьютера. Тема 3. [Электронный ресурс]

3. Бабкина Н. А. Прикладная электроника. Курс лекций. Лекция №

6. Схемы реализации булевых функций. Цифровые интегральные схемы. – 2013. – Рукопись.

4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.

2. Пер. с англ.-4-е изд., перераб. и доп.-М.: Мир, 1993. — 371 с.

5. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. — М.: Мир, 2001. — 379 с.

8. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. — 440 с.

9. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. — 885 с.

10. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. — 526 с.

11. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. — 416 с.

12. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. — 160 с.

13. Быстров Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника: Учебник. – М.: Высш, шк.,2002. – 384 с.

14. Гусев В. Г. Электротехника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа,2006. – 800 с.

16. Новиков Ю. В. Введение в цифровую схемотехнику – М.: Интернет – Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 373 с.

17. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. – СПб. : БХВ – Петербург, 2001. — 528 с.

Читайте также: