2.3. Логические элементы

2.3.1. Определение логических элементов

Логические элементы (ЛЭ) – это электронные схемы, реализующие простейшие логические операции.

ЛЭ теоретически может иметь любое конечное число входов, но на практике их количество обычно не превышает четырёх. Промышленностью больше всего выпускаются ИС с двухвходовыми ЛЭ, микросхемы с трёхвходовыми и четырёхвходовыми ЛЭ – немного меньше. Также в незначительном количестве могут производиться отдельные ИС с нестандартным количеством входов.

Сколько бы ни было входов у ЛЭ, выход у него всегда один, т. к. ЛЭ реализует логическую операцию, поэтому её результатом будет логическое значение (“0” или “1”). Можно также сказать, что выход ЛЭ является функцией от его входов.

2.3.2. Классификация логических элементов

1. Классификация ЛЭ по выполняемым ими логическим операциям.

Не все логические операции имеют соответствующие ЛЭ. На практике встречаются следующие ЛЭ:

1. Задержка;

2. НЕ;

3. И;

4. ИЛИ;

5. И-НЕ;

6. ИЛИ-НЕ;

7. Чётность;

8. Нечётность.

Другие логические операции (например, импликация) не имеют соответствующих ЛЭ, и для их реализации приходится строить небольшие схемы из имеющихся ЛЭ.

Бывают также более сложные ЛЭ, содержащие в себе несколько стандартных ЛЭ. Например, логический элемент 2И-ИЛИ-НЕ сначала вычисляет два логических произведения, затем логически складывает их и полученный результат инвертирует.

Условные графические изображения простейших ЛЭ по ГОСТ представлены на рис. 2.14, их названия совпадают с названиями реализуемых ими функций.

На рис. 2.15 показаны УГО логических элементов по европейскому стандарту DIN, которые не сильно отличаются от обозначений по российскому стандарту. Обозначения ЛЭ по американскому стандарту ANSI (рис. 2.16) значительно отличается от соответствующих обозначений по ГОСТу и стандарту DIN.

1

1

НЕ [NOT]

(Инвертор)

Повторитель

(Задержка)

[Delay]

Буфер

(Усилитель)

[Buffer]

Инвертирующий буфер

&

1

1

&

1

&

1

&

1

&

1

И [AND]

(Конъюнктор)

ИЛИ [OR]

(Дизъюнктор)

И-НЕ

[NAND]

ИЛИ-НЕ

[NOR]

2И [AND2]

4И [AND4]

8И [AND8]

2ИЛИ [OR2]

4ИЛИ [OR4]

8ИЛИ [OR8]

2И-НЕ [NAND2]

4И-НЕ [NAND4]

8И-НЕ [NAND8]

2ИЛИ-НЕ [OR2]

4ИЛИ-НЕ [OR4]

8ИЛИ-НЕ [OR8]

Рис. 2.14. УГО логических элементов по российскому ГОСТу [Начало]

М2

М2

М2

М2

М2

М2

=1

=1

=1

=1

=1

=1

Сумматор по модулю 2

Исключающее ИЛИ [XOR]

XOR2

XOR4

XOR8

Эквивалентность

[XNOR]

XNOR2

XNOR4

XNOR8

≥1

≥1

≥1

≥1

≥1

≥1

=

=

=

ИЛИ [OR]

(Дизъюнктор)

ИЛИ-НЕ

[NOR]

Эквивалентность

[XNOR]

Рис. 2.15. УГО логических элементов по европейскому стандарту DIN

Рис. 2.14. УГО логических элементов по российскому ГОСТу [Окончание]

И [AND]

(Конъюнктор)

ИЛИ [OR]

(Дизъюнктор)

И-НЕ

[NAND]

2И [AND2]

4И [AND4]

8И [AND8]

2ИЛИ [OR2]

4ИЛИ [OR4]

8ИЛИ [OR8]

2И-НЕ [NAND2]

4И-НЕ [NAND4]

8И-НЕ [NAND8]

ИЛИ-НЕ

[NOR]

2ИЛИ-НЕ [OR2]

4ИЛИ-НЕ [OR4]

8ИЛИ-НЕ [OR8]

2ИЛИ [OR2]

4ИЛИ [OR4]

8ИЛИ [OR8]

Исключающее

ИЛИ [XOR]

2ИЛИ [OR2]

4ИЛИ [OR4]

8ИЛИ [OR8]

Эквивалентность

[XNOR]

Буфер

[Buffer]

НЕ [NOT]

(Инвертор)

Рис. 2.16. УГО логических элементов по американскому стандарту ANSI

На электрических схемах ЛЭ показываются условными гра­фическими обозначениями (УГО) в виде прямоугольников, внутри которых ставится символ выполняемой операции, а на линиях входных и выходных переменных мо­гут изображаться кружки (индикаторы инверсии) (рис. 2.17). Индикатор инверсии на входе означает, что данная входная переменная входит в формулу зависимости выходной переменной в инверс­ном виде, а инверсия на выходе ЛЭ – что выражение для выходной переменной необходимо дополнительно проинвертировать.

Рис. 2.17. Условное графическое обозначение ЛЭ

2. Классификация ЛЭ по режиму работы:

1) статические (потенциальные);

2) динамические.

Статические ЛЭ, которые наиболее широко используются в современных ИС, могут работать как в статическом, так и динамическом (импульсном) режимах.

Динамические ЛЭ могут работать только в импульсном режиме.

3. Классификация ЛЭ по типу применяемых транзисторов:

1) на биполярных транзисторах;

2) на полевых транзисторах (чаще всего на МДП-транзисторах).

4. Классификация ЛЭ по принципу построения схем (по схемотехнологии) ЛЭ делятся на:

1. транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) [англ. Transistor-Transistor Logic (TTL); tristate logic – с тремя состояниями];

2. транзисторно-транзисторной логики {с диодами} Шотки (ТТЛШ) [англ. Transistor-Transistor Logic (with) Schottky (diodes) (TTLSh)];

3. эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) [англ. Emitter-Coupled Logic (ECL)] (используемая в МС с высокой скоростью переключения элементов (0,5-2 нс));

4. инжекторно-инжекторной логики (И²Л) (с инжекционным питанием);

5. на МДП-транзисторах (МДП = Металл-Диэлектрик-Полупроводник) [англ. MIS = Metal-Insulator-Semiconductor];

6. на КМОП-транзисторах (КМОП = Комплементарная {структура} Металл-Оксид/Окисел-Полупроводник) [англ. CMOS = Complementary Metal-Oxide-Semiconductor = Complementary MOS].

Из перечисленных технологий основными на данный момент являются ТТЛШ и КМОП. Совре­менные элементы КМОП обладают рядом уникальных параметров (высокая плотность размещения элементов, малая потребляемая мощность, особенно при невысоких частотах переключения, высокая помехоустойчивость, широкие допуски на величину питающих на­пряжений, высокое быстродействие, особенно при небольших ёмкостных нагрузках). Эти элементы доминируют в схемах внутренних областей БИС/СБИС. За ТТЛШ осталась пока область периферийных схем, где тре­буется передача сигналов по внешним цепям, испытывающим большую ём­костную нагрузку.

ИС широкого применения изготовляются по схемотехнологиям КМОП, ТТЛШ и др. Элементы КМОП обладают рядом уникальных параметров (малая потребляемая мощность при невысоких частотах переключения, вы­сокая помехоустойчивость, широкие допуски на величину питающих на­пряжений, высокое быстродействие при небольших емкостных нагрузках) Эти элементы доминируют в схемах внутренних областей БИС/СБИС За ТТЛШ осталась в основном область периферийных схем, где требуется пе­редача сигналов по внешним цепям, испытывающим значительную емкост­ную нагрузку. Элементы ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) обеспечивают максимальное быстродействие, но ценой повышения потребляемой мощно­сти, что снижает достижимый уровень интеграции.