Минимизация логических функций с помощью карт Карно

7. Классификация логических элементов и их основные характеристики:

1. резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);

2. диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

3. транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

4. эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);

5. транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);

6. логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа р (р-МДП);

7. логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа n (n-МДП);

8. логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);

9. интегральная инжекционная логика И2Л;

10. логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs.

Наиболее важные параметры логических элементов:

1. быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигнала t_зр и максимальной рабочей частотой F_макс. Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5U_вх и 0,5U_вых. Максимальная рабочая частота F_макс – это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы;2. коэффициентом разветвления К_раз – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента;3. коэффициент объединения по входу К_об – это число логических входов, по которым реализуется ее логическая функция, типичные значения, К_об = 2…8, К_раз= 4…10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью К_раз = 20…30;4. помехоустойчивость в статическом режиме характеризуется напряжением U_пст, которое называется статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента;5. мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний;6. напряжение питания;7. входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня U_вх.1 порог и U_вх.0 порог, соответствующие изменению состояния логического элемента;8. выходные напряжения высокого и низкого уровней U_вых1 и U_вых0.

8. Диодно-транзисторные логические элементы (ДТЛ):

Диодно-транзисторные логические элементы (ДТЛ) имеют следующие достоинства: простоту схем, гибкость расширения Функциональных возможностей (объединение выходов в монтажное ИЛИ, увеличение количества входов подключением внешних диодов и т. д.).

ДТЛ строится на полупроводниковых диодах и транзисторах, работающих в ключевом режиме.

Типовые элементы ДТЛ и временные диаграммы их работы имеют следующий вид:

1.Инвертор

При H-уровне на выходе схемы транзистор VT – открыт, поэтому выходное напряжение близко к нулю – на выходе L-уровень. При L-уровне на входе, VT – закрыт, выходное напряжение близко к напряжению источника питания Е_п – имеет место H-уровень.

2. Элемент ИЛИ

По сути дела, это 2-х фазная нулевая схема выпрямителя. Здесь она используется потому, что передает на выход больший из входных сигналов. Диод подключенный ко входу с меньшим сигналом оказывается при этом закрыт обратным напряжением. Это позволяет исключить влияние источников логических сигналов друг на друга.

Для нормальной работы, элемент должен быть нагружен на активное сопротивление R_н (в состав самого элемента обычно не входит), либо на вход инвертора.

3. Элемент И

Для нормальной работы элемент И должен получать входные логические сигналы от инверторов. Выходные цепи инверторов показаны на нашей схеме пунктиром. Если оба транзистора предшествующих инверторов закрыты, на обоих входах элемента И имеет место H-уровень, такой же уровень имеется на выходе элемента который связан с полюсом источника питания через резистор R. Если оба транзистора инверторов — открыты, на обоих входах элементов действует L-уровень. Диоды VD1 и VD2 – открываются, и этот L-уровень передается на выход элемента.

9. Транзистор-транзисторные логические элементы (ТТЛ) — разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов.Отличительной особенностью данной технологии является использование на входах ИС многоэмиттерных транзисторов.Совершенствование ТТЛ-технологий изготовления ИС привело к созданию базового элемента ТТЛ с использованием диодов Шоттки, предотвращающих режим глубокого насыщения транзисторов - ТТЛШ.

Статические режимы в логических элементах ТТЛ характеризуются стандартными параметрами, к которым относятся уровни входных и выходных напряжений и значения входных и выходных токов:

- входное напряжение высокого уровня (логической единицы),

- входное напряжение низкого уровня (логического нуля),

- выходное напряжение высокого уровня (логической единицы),

- выходное напряжение низкого уровня (логической единицы),

(при ) - входной ток при подаче на вход высокого уровня напряжения (втекающий ток),

(при ) - входной ток при подаче на вход низкого уровня напряжения (вытекающий ток),

( при ) - выходной ток при высоком уровне выходного сигнала (вытекающий ток),

(при) - выходной ток при низком уровне выходного сигнала (втекающий ток).

10. Логические элементы на n-канальных МДП-транзисторах

ЛЭ типа И-НЕ

Базовый логический элемент И-НЕ строится на последовательно включенных МДП-транзисторах, число которых определяется требуемым числом входов m с общей линейной, нелинейной нагрузками, а также на основе m комплиментарных пар.

В логических элементах ИЛИ-НЕ электронные ключи объединяются в параллельную группу по числу входов . Сопротивление группы параллельно соединенных транзисторов определяется наименьшим из параллельных звеньев, т.е. транзистором, на затвор которого подано наибольшее из входных напряжений.

Логические элементы двухступенчатой логики строятся в виде комбинаций последовательных и параллельных групп МДП-транзисторов.

Для обеспечения большого коэффициента разветвления по выходу без снижения быстродействия или увеличения потребляемой мощности от источника питания в n-МДП технологии применяют специальные буферные усилители с инвертированием или без инвертирования.

11. Логические элементы на комплементарных МДП-транзисторах:

КМДП технология (количество n каналов равно количеству p каналов).Логический элемент И-НЕ реализуется с помощью двух КМДП-ключей путем параллельного включения p-канальных транзисторов и последовательного подключения n-канальных транзисторов. На рис.5.2 изображено электрическую схему двухвходового элемента И-НЕ.

Логический элемент ИЛИ-НЕ реализуется с помощью двух КМДП-ключей путем параллельного включения n-канальных транзисторов и последовательного подключения p-канальных транзисторов. На рис.5.4 изображено электрическую схему двухвходового элемента ИЛИ-НЕ.

В цифровой схемотехнике широко используются логические элементы, реализующие операцию сравнения двух логических переменных. Для этого должна быть вычислена функция , которая может быть реализована на КМДП-транзисторах

12. Классификация триггеров:

Триггеры подразделяются на две большие группы — динамические и статические. Названы они так по способу представления выходной информации.Динамический триггер представляет собой систему, одно из состояний которой характеризуется наличием на выходе непрерывной последовательности импульсов определённой частоты, а другое — отсутствием выходных импульсов. Смена состояний производится внешними импульсами. Динамические триггеры в настоящее время используются редко.К статическим триггерам относят устройства, каждое состояние которых характеризуется неизменными уровнями выходного напряжения: высоким — близким к напряжению питания и низким — около нуля. Статические триггеры по способу представления выходной информации часто называют потенциальными.

13. RS-триггеры:

RS триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ.) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние (записывать единицу). Вход R (Reset — сбросить англ.) позволяет сбрасывать выход триггера Q (Quit — выход англ.) в нулевое состояние (записывать ноль).

14. D-триггеры:

Название происходит от английского слова delay — задержка. Конкретное значение задержки определяется частотой следования импульсов синхронизации. Условно-графическое обозначение D триггера на принципиальных схемах приведено на рисунке

15. Т-триггеры:

T-триггер — это счетный триггер. У данного триггера имеется только один вход. Принцип работы T-триггера заключается в следующем. После поступления на вход T импульса, состояние триггера меняется на прямо противоположное. Счётным он называется потому, что T триггер как бы подсчитывает количество импульсов, поступивших на его вход. Жаль только, что считать этот триггер умеет только до одного. При поступлении второго импульса T-триггер снова сбрасывается в исходное состояние.

16. JK-триггеры:

при подаче двух единиц jk триггер превращается в счётный триггер. Это означает, что при подаче на тактовый вход C импульсов этот триггер изменяет своё состояние на противоположное.

17. Классификация цифровых узлов:

Последовательностные цифровые устройства (ПЦУ) классифицируются по следующим признакам: функциональному, способу управления, наличию синхронизации, структуре.

По функциональному признаку последовательностные цифровые устройства подразделяются на триггеры, регистры и счетчики. Триггер (trigger – пусковая схема) – электронная логическая схема с двумя устойчивыми состояниями равновесия, переключаемая при воздействии внешних управляющих сигналов. Регистр (register – регистр) – радиоэлектронное устройство, осуществляющее прием, хранение, преобразование и выдачу чисел в определенном коде. Счетчик– устройство для счета и запоминания числа дискретных сигналов, поступивших на его вход.

По способу управления последовательностные цифровые устройства делятся на управляемые потенциалом и управляемые импульсами (перепадами напряжения). В свою очередь, последовательностные цифровые устройства, управляемые потенциалом, могут быть прямого и инверсного управления.Прямое управление потенциалом означает, что активным является потенциал Uh, превосходящий пороговый уровень, и ему присваивается значение логической единицы. Классификация видов управления последовательностными цифровыми устройствами: а – по высокому потенциалу; б – по низкому потенциалу; в – по положительному перепаду напряжения; г – по отрицательному перепаду напряженияПри инверсном управлении потенциалом активным является потенциал низкого уровня UL (low – низкий), и ему присваивается значение логической единицы

18. Сумматоры и суммирующие устройства:

Сумматор - устройство, выполняющее операции арифметического сложения над двоичными числами. Где-то рассматривались математические операции над двоичными числами, где говорилось о том, что сумма двух нулей есть нуль, сумма нуля и единицы есть единица, сумма двух единиц есть нуль. Одноразрядный цифровой сумматор имеет три входа: два входа слагаемых и вход переноса (от предыдущего сумматора). При этом правила сложения чуток усложняются.

Различают в основном два способа алгебраического суммирования:

- суммирование напряжений (ЭДС);

- суммирование токов.

19. Шифраторы:

Шифратор (кодер) преобразует сигнал на одном из входов в n-разрядное двоичное число.

20. Дешифраторы:

Дешифраторы позволяют преобразовывать одни виды бинарных кодов в другие. Например, преобразовывать позиционный двоичный код в линейный восьмеричный или шестнадцатеричный. Преобразование производится по правилам, описанным в таблицах истинности, поэтому построение дешифраторов не представляет трудностей.