Публикации Схемотехника базовых логических эелементов

Всероссийский сборник статей и публикаций института развития образования, повышения квалификации и переподготовки.

Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Схемотехника базовых логических эелементов
Автор: Аникашин Дмитрий Иванович

Схемотехника базовых логических элементовВведениеЛогические элементы являются фундаментальными строительными блоками цифровой электроники. Они реализуют основные булевы функции — И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT), а также их комбинации: И-НЕ (NAND), ИЛИ-НЕ (NOR), исключающее ИЛИ (XOR) и др. Схемотехника базовых логических элементов изучает принципы построения, функционирования и оптимизации этих устройств на физическом уровне с использованием различных технологий: биполярных транзисторов, полевых транзисторов (MOSFET), а также интегральных схем различной степени интеграции.1. Основные типы логических элементовВсе логические элементы можно разделить на инвертирующие и не инвертирующие. Базовые функции, реализуемые элементами:

НЕ (инвертор) — один вход, один выход, инвертирует сигнал.

И (AND) — логическое умножение: выход высокий только при всех высоких входах.

ИЛИ (OR) — логическое сложение: выход высокий, если хотя бы один вход высокий.

И-НЕ (NAND) и ИЛИ-НЕ (NOR) — универсальные элементы, с помощью которых можно построить любую логическую схему.

XOR (исключающее ИЛИ) — выход высокий только при разных состояниях входов.

2. Реализация логических элементов на дискретных компонентах2.1. Транзисторно-транзисторная логика (TTL)TTL — исторически первая широко применяемая технология цифровых микросхем. Основана на использовании биполярных транзисторов. Пример — микросхема К155ЛА3 (четыре двухвходовых элемента И-НЕ).Преимущества TTL:

высокая скорость переключения;

устойчивость к помехам.

Недостатки:

сравнительно высокое энергопотребление;

ограниченная плотность интеграции.

2.2. Диодно-транзисторная логика (DTL)Более ранняя технология, в которой логические функции реализуются с помощью диодов и одного транзистора. Пример — схема И-НЕ на диодах и биполярном транзисторе. DTL уступает TTL по скорости и надёжности, но проще в реализации.3. MOS-логика: основа современных цифровых системСовременные цифровые устройства почти полностью основаны на полевых транзисторах с изолированным затвором (MOSFET), особенно в КМОП (CMOS — Complementary MOS) технологии.3.1. CMOS-инверторПростейший логический элемент — инвертор — состоит из двух MOSFET: p-канального и n-канального, соединённых последовательно между питанием и землёй. При высоком входе открывается n-транзистор, и выход подтягивается к земле; при низком входе — открывается p-транзистор, и выход подключается к питанию.Преимущества CMOS:

крайне низкое статическое энергопотребление;

высокая помехоустойчивость;

масштабируемость и совместимость с высокой степенью интеграции.

3.2. CMOS-элементы И, ИЛИ и их производныеСложные функции реализуются с помощью комбинаций p- и n-сетей транзисторов. Например:

NAND: n-транзисторы соединены последовательно, p-транзисторы — параллельно.

NOR: n-транзисторы — параллельно, p-транзисторы — последовательно.

При проектировании таких схем важно соблюдать симметрию и балансировать время переключения.

4. Универсальность NAND и NORЭлементы NAND и NOR называются универсальными, потому что с их помощью можно реализовать любую логическую функцию. Например:Инвертор: соединить оба входа NAND вместе.Элемент И: NAND → NOT.Элемент ИЛИ: NOR → NOT + двойная инверсия входов (по закону де Моргана).Это свойство позволяет строить сложные цифровые системы даже при ограниченном ассортименте микросхем.5. Практические аспекты схемотехникиПри разработке цифровых схем учитываются:

Временные задержки: время распространения сигнала от входа к выходу.

Потребляемая мощность: особенно критична в портативных устройствах.

Уровни логических сигналов: напряжения, соответствующие логическим «0» и «1».

Нагрузочная способность: количество входов, которые может обслужить один выход (fan-out).

Помехоустойчивость: способность противостоять внешним и внутренним шумам.

6. Современные тенденцииС развитием нанотехнологий и переходом к суб-10-нм технологическим нормам возникают новые вызовы:

утечки тока в статическом режиме;

вариации параметров транзисторов;

необходимость в трёхмерной интеграции и новых материалах (например, GaN, SiC, графен).

Тем не менее, классические принципы схемотехники логических элементов остаются неизменными и служат основой для проектирования процессоров, памяти, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и других цифровых устройств.ЗаключениеСхемотехника базовых логических элементов — это фундамент цифровой электроники. Понимание принципов их работы, особенностей реализации на различных технологических платформах и ограничений, накладываемых физикой компонентов, необходимо как для инженеров-схемотехников, так и для разработчиков программного обеспечения встраиваемых систем. Несмотря на стремительное развитие технологий, законы булевой алгебры и основы транзисторной логики остаются неизменными — они лежат в основе всех современных вычислительных устройств.