Практическая работа №11 Сравнение параметров базовых логических элементов разных серий

Базовые логические элементы. В соответствии с перечнем основных логических операций, различают три базовых логических элемента (ЛЭ): И, ИЛИ, НЕ. Приведем их условные графические обозначения, принятые в различных стандартах. Кроме этого, настоящий лабораторный практикум предполагает активную работу с системой графического программирования LabVIEW. Условные графические обозначения элементов, выполняющих логические операции, принятые в LabVIEW, в основном соответствуют стандарту milspec 806B, однако имеют некоторые особенности. Поэтому приведем их также
Таблица 11.2.
Обозначение условное графическое логического элемента И (AND)

Таблица 11.3.

Обозначение условное графическое логического элемента ИЛИ (OR)



Таблица 11.4.
Обозначение условное графическое логического элемента НЕ (NOT)

Наиболее распространенные логические элементы. Наряду с простейшими распространены и более сложные логические элементы, сочетающие в себе несколько простейших операций. Такими являются логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и т. п. Приведем условные графические обозначения некоторых из них. Штрих Шеффера. Элемент И-НЕ реализует функцию «штрих Шеффера» двух переменных f = x × y = x|y (функция F14 в табл. 11.3). Условное обозначение логического элемента И-НЕ в любом стандарте объединяет в себе обозначение элемента И и кружок, являющийся признаком элемента НЕ.

Таблица 11.5.
Логическая операция И-НЕ, Штрих Шеффера (NOT AND)

Стрелка Пирса. Элемент ИЛИ-НЕ реализует функцию «стрелка Пирса»: f = x + y = x ↓ y (функция F8 в табл. 11.3). Условные обозначения объединяют в себе обозначение элемента ИЛИ и кружок — символ операции отрицания (НЕ).
Таблица 11.6.
Логическая операция ИЛИ-НЕ, Стрелка Пирса (NOT OR)

Исключающее ИЛИ, неравнозначность, сложение по модулю два означает «единица и только одна единица»: f = x · y + x · y = x ⊕ y (функция F6 в табл. 11.3).
Таблица 11.7.
Логическая операция Исключающее ИЛИ (eXclusive OR, XOR)

Исключающее ИЛИ-НЕ, равнозначность: f = x · y + x · y = x ⊕ y (функция F9 в табл. 11.3).
Таблица 11.8.
Логическая операция Исключающее ИЛИ-НЕ (NOT eXclusive OR)

В настоящее время наиболее широко применяются микросхемы ТТЛ-типа (транзисторно-транзисторная логика), так как их параметры соответствуют требованиям разнообразной электронной аппаратуры. ТТЛ ИМС обладают сравнительно высоким быстродействием при относительно большой потребляемой мощности, высокой помехоустойчивостью и большой нагрузочной способностью.
Промышленность выпускает несколько разновидностей ТТЛ ИМС, в том числе ИС с диодами Шотки (ТТЛШ) повышенного быстродействия (но большей мощности потребления) и маломощные (но с меньшим быстродействием).
Микросхемы ЭСЛ-типа (эмиттерно-связанная логика) являются наиболее быстродействующими. Это обусловлено, в частности, тем, что транзисторы элемента работают в активном режиме, чем исключается время выхода из насыщения; перезарядка нагружающих вывод емкостей происходит достаточно быстро через малое выходное сопротивление эмиттерных повторителей.
Наряду с высоким быстродействием и большой нагрузочной способностью ЭСЛ-элемент отличается меньшей, чем ТТЛ-элемент, помехоустойчивостью (ввиду того, что для его переключения достаточен небольшой перепад входного напряжения), а также относительно большим потреблением мощности (за счет работы транзисторов в активном режиме и малых сопротивлений резисторов, дополнительно обеспечивающих быстродействие), что повышает требования к источникам питания и системе охлаждения.
Микросхемы КМОП-типа (на комплементарных МОП-транзисторах) отличаются исключительно малым потреблением мощности, за счет чего температура кристалла не превышает допустимой при весьма большом количестве компонентов на нем. Это позволяет изготовлять большие интегральные схемы (БИС) КМОП-типа с наивысшей в настоящее время степенью интеграции. Малая потребляемая мощность позволяет использовать аппаратуру на КМОП ИМС при ограниченных возможностях источников питания. Вместе с тем КМОП ИМС отличают высокая помехозащищенность и большое входное сопротивление, следствием чего является высокая нагрузочная способность (большой коэффициент разветвления по выходу). Наряду с этим КМОП-элемент имеет ограниченный коэффициент объединения по входу. Это связано с тем, что число входов равно числу нагрузочных транзисторов; за счет значительного падения напряжения на большом количестве отпертых нагрузочных транзисторов напряжение  логической 1 на выходе может существенно снизиться. По быстродействию микросхемы КМОП-типа уступают микросхемам ЭСЛ- и ТТЛ-типов.
Таблица 11.9

Параметр	Тип логики
	ТТЛ	ТТЛШ	ЭСЛ	КМОП
Напряжение питания En, В	5	5	-5,2	3…5
Напряжение логической 1 U^1, В	2,4	2,7	-0,9	≈ En
Напряжение логического 0 U^0, В	0,4	0,5	-0,6	≈ 0
Быстродействие t2, нс	20	5	2,9	50
Помехоустойчивость  , В	Не менее 0,4	Не менее 0,5	0,2	Не менее 0,3 En
Потребляемая мощность  , мВт	22	19	35	0,1
Коэффициент разветвления по выходу Kраз	10	10	15	50
Коэффициент объединения по входу Коб	8	4	9	–

В ряде случаев цифровое устройство приходится выполнять не микросхемах разных типов (например, ТТЛ и ЭСЛ). При этом для согласования уровней логических 1, а также логических 0 применяют преобразователи уровней.
Промышленность выпускает микросхемы и других типов, в частности диодно-транзисторной логики (ДТЛ) и резисторно-транзисторной логики (РТЛ). ДТЛ ИМС представляют собой комбинацию диодной схемы И и транзисторного инвертора. РТЛ- и ДТЛ-типы микросхем относятся к ранним разработкам, не обладают необходимыми параметрами и выпускаются для ремонта аппаратуры, изготовленной ранее.
В таблице 11.9 сведены параметры элементов серий 155 (ТТЛ), 531 (ТТЛШ), 100 (ЭСЛ), 561 (КМОП).