Обозначение логических элементов: Логические элементы и таблицы истинности

Логические элементы и таблицы истинности

Абсолютно все цифровые микросхемы состоят из одних и тех же логических элементов – «кирпичиков» любого цифрового узла. Вот о них мы и поговорим сейчас.

Логический элемент – это такая схемка, у которой несколько входов и один выход. Каждому состоянию сигналов на входах, соответствует определенный сигнал на выходе.

Итак, какие бывают элементы?

Элемент «И» (AND)

Иначе его называют «конъюнктор».

Для того, чтобы понять как он работает, нужно нарисовать таблицу, в которой будут перечислены состояния на выходе при любой комбинации входных сигналов. Такая таблица называется «таблица истинности». Таблицы истинности широко применяются в цифровой технике для описания работы логических схем.

Вот так выглядит элемент «И» и его таблица истинности:

Поскольку вам придется общаться как с русской, так и с буржуйской тех. документацией, я буду приводить условные графические обозначения (УГО) элементов и по нашим и по не нашим стандартам.

Смотрим таблицу истинности, и проясняем в мозгу принцип. Понять его не сложно: единица на выходе элемента «И» возникает только тогда, когда на оба входа поданы единицы. Это объясняет название элемента: единицы должны быть И на одном, И на другом входе.

Если посмотреть чуток иначе, то можно сказать так: на выходе элемента «И» будет ноль в том случае, если хотя бы на один из его входов подан ноль. Запоминаем. Идем дальше.

Элемент «ИЛИ» (OR)

По другому, его зовут «дизъюнктор».

Любуемся:

Опять же, название говорит само за себя.

На выходе возникает единица, когда на один ИЛИ на другой ИЛИ на оба сразу входа подана единица. Этот элемент можно назвать также элементом «И» для негативной логики: ноль на его выходе бывает только в том случае, если и на один и на второй вход поданы нули.

Едем дальше. Дальше у нас очень простенький, но очень необходимый элемент.

Элемент «НЕ» (NOT)

Чаще, его называют «инвертор».

Надо чего-нибудь говорить по поводу его работы?

Ну тогда поехали дальше. Следующие два элемента получаются путем установки инвертора на выход элементов «И» и «ИЛИ».

Элемент «И-НЕ» (NAND)

Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал полностью противоположен. Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» — единица. И наоборот. Э то легко понять по эквивалентной схеме элемента:

 

Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR)

 

Та же история – элемент «ИЛИ» с инвертором на выходе.

Следующий товарищ устроен несколько хитрее:
Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR)

Он вот такой:

Операция, которую он выполняет, часто называют «сложение по модулю 2». На самом деле, на этих элементах строятся цифровые сумматоры.

Смотрим таблицу истинности. Когда на выходе единицы? Правильно: когда на входах разные сигналы. На одном – 1, на другом – 0. Вот такой он хитрый.

Эквивалентная схема примерно такая:

Ее запоминать не обязательно.

Собственно, это и есть основные логические элементы. На их основе строятся абсолютно любые цифровые микросхемы. Даже ваш любимый Пентиум 4.

Далее мы позанудствуем о том, как синтезировать цифровую схему, имея ее таблицу истинности. Это совсем несложно, а знать надо, ибо пригодится (еще как пригодится) нам в дальнейшем.

Ну и напоследок – несколько микросхем, внутри которых содержатся цифровые элементы. Около выводов элементов обозначены номера соответствующих ног микросхемы. Все микросхемы, перечисленные здесь, имеют 14 ног. Питание подается на ножки 7 (-) и 14 (+). Напряжение питания – смотри в таблице в предыдущем параграфе.

Источник: radiokot.ru

Работа простейших логических элементов, триггеров, счетчиков, дешифраторов, шифраторов, компараторов, регистров сдвига

 

Простейшие логические элементы, триггеры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, компараторы, регистры сдвига, сумматоры

Аналоги логических микросхем

Продаю платы и наборы микросхем на Орион 128, куплю микросхемы ПЗУ и ОЗУ.

Магазин запчастей ПК Орион-128

Логические элементы выпускаются в виде — интегральных микросхем. Логические операции, такие как конъюнкция, дизъюнкция, отрицание и сложение по модулю (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ) — являются основными операциями, выполняемыми на логических элементах основных типов. И так:

Логический элемент «И» — конъюнкция, логическое умножение, AND.

 Логический элемент И «И» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход. Условные обозначения логических элементов «И» с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент «И» с тем или иным числом входов обозначается как «2И», «4И» и т. д. — элемент «И» с двумя входами, с четырьмя входами и т.

д.

Таблица истинности для элемента 2И

 Таблица истинности для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль. На западных схемах значок элемента «И» имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «&».

Логический элемент «ИЛИ» — дизъюнкция, логическое сложение, OR

Логический элемент ИЛИ «ИЛИ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения.

 Он так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ и т. д.

Таблица истинности для элемента  2ИЛИ

Таблица истинности для элемента «2ИЛИ» показывает, что для появления на выходе логической единицы, достаточно чтобы логическая единица была на первом входе ИЛИ на втором входе. Если логические единицы будут сразу на двух входах, на выходе также будет единица. На западных схемах значок элемента «ИЛИ» имеет закругление на входе и закругление с заострением на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1».

Логический элемент «НЕ» — отрицание, инвертор, NOT

 Логический элемент НЕ «НЕ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического отрицания.

 Данный элемент, имеющий один выход и только один вход, называют еще инвертором, поскольку он на самом деле инвертирует (обращает) входной сигнал.

На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «НЕ».

Таблица истинности для элемента НЕ

 Таблица истинности для инвертора показывает, что высокий потенциал на входе даёт низкий потенциал на выходе и наоборот. На западных схемах значок элемента «НЕ» имеет форму треугольника с кружочком на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1», с кружком на выходе.

Логический элемент «И-НЕ» — конъюнкция (логическое умножение) с отрицанием, NAND

Логический элемент И-НЕ «И-НЕ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход.

Другими словами, это в принципе элемент «И», дополненный элементом «НЕ». На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2И-НЕ».

Таблица истинности для элемента И-НЕ

Таблица истинности для элемента «И-НЕ» противоположна таблице для элемента «И». Вместо трех нулей и единицы — три единицы и ноль. Элемент «И-НЕ» называют еще «элемент Шеффера» в честь математика Генри Мориса Шеффера, впервые отметившего значимость этой логической операции в 1913 году. Обозначается как «И», только с кружочком на выходе.

Логический элемент «ИЛИ-НЕ» — дизъюнкция (логическое сложение) с отрицанием, NOR

Логический элемент ИЛИ-НЕ «ИЛИ-НЕ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход.

Иначе говоря, это элемент «ИЛИ», дополненный элементом «НЕ» — инвертором. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2ИЛИ-НЕ».

Таблица истинности для элемента ИЛИ-НЕ

Таблица истинности для элемента «ИЛИ-НЕ» противоположна таблице для элемента «ИЛИ». Высокий потенциал на выходе получается лишь в одном случае — на оба входа подаются одновременно низкие потенциалы. Обозначается как «ИЛИ», только с кружочком на выходе, обозначающим инверсию.

Логический элемент «исключающее ИЛИ» — сложение по модулю 2, XOR

Логический элемент исключающее ИЛИ «исключающее ИЛИ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения по модулю 2, имеет два входа и один выход.

Часто данные элементы применяют в схемах контроля. На рисунке приведено условное обозначение данного элемента. Изображение в западных схемах — как у «ИЛИ» с дополнительной изогнутой полоской на стороне входа, в отечественной — как «ИЛИ», только вместо «1» будет написано «=1».

Таблица истинности исключающее ИЛИ

 Этот логический элемент еще называют «неравнозначность». Высокий уровень напряжения будет на выходе лишь тогда, когда сигналы на входе не равны (на одном единица, на другом ноль или на одном ноль, а на другом единица) если даже на входе будут одновременно две единицы, на выходе будет ноль — в этом отличие от «ИЛИ». Данные элементы логики широко применяются в сумматорах.

Операнды в данном случае подаются в двоичной системе счисления — на вход логического элемента поступают сигналы в форме напряжения высокого или низкого уровня, которые и служат по сути входными данными. Так, напряжение высокого уровня — это логическая единица 1 — обозначает истинное значение операнда, а напряжение низкого уровня 0 — значение ложное. 1 — ИСТИНА, 0 — ЛОЖЬ.

Продолжение следует….

Генератор с кварцевой стабилизацией, схемотехника

 

Купить платы, наборы микросхем на Орион128, КР565РУ5В, КР565ру7В, к565ру5г AU, к565ру7г Au в позолоте, куплю микросхемы

 

Полезные и интересные статьи

На предыдущую страницу  На главную страницу  На следующую страницу

 

Логические вентили — определение, типы, использование

Электропроводность материала полупроводника находится где-то между проводимостью проводника, такого как металлическая медь, и изолятора, такого как стекло. При повышении температуры его удельное сопротивление уменьшается, в то время как металлы имеют противоположный эффект. Проводимость кристаллической структуры можно модифицировать благоприятным образом, вводя в нее примеси (легирование). Когда в одном и том же кристалле существуют две отдельные легированные области, образуется полупроводниковый переход. Поведение носителей заряда, таких как электроны, ионы и электронные дырки, в этих соединениях лежит в основе диодов, транзисторов и большинства современных электронных устройств.

Полупроводники включают кремний, германий, арсенид галлия и элементы так называемой металлоидной лестницы периодической таблицы. Арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником после кремния и используется в лазерных диодах, солнечных элементах, интегральных схемах микроволнового диапазона и других устройствах. Кремний является важным компонентом в производстве почти всех электрических цепей.

Логические элементы

Логические элементы представляют собой простую коммутационную схему, которая определяет, может ли входной импульс пройти на выход в цифровых схемах.

Строительными блоками цифровой схемы являются логические вентили, которые выполняют многочисленные логические операции, необходимые для любой цифровой схемы. Они могут принимать два или более входных данных, но производить только один выходной сигнал.

Комбинация входных сигналов, подаваемых на логический вентиль, определяет его выходной сигнал. Логические вентили используют булеву алгебру для выполнения логических процессов. Логические вентили можно найти почти в каждом цифровом гаджете, который мы используем на регулярной основе. Логические вентили используются в архитектуре наших телефонов, ноутбуков, планшетов и запоминающих устройств.

Булева алгебра

Булева алгебра — это тип логической алгебры, в котором символы представляют логические уровни.

Цифры (или символы) 1 и 0 относятся к логическим уровням в этой алгебре; в электрических цепях логическая 1 будет представлять замкнутый переключатель, высокое напряжение или состояние «включено» устройства. Разомкнутый выключатель, низкое напряжение или состояние «выключено» устройства будет представлено логическим 0. 

В любой момент времени цифровое устройство будет находиться в одном из этих двух бинарных состояний. Лампочку можно использовать для демонстрации работы логического вентиля. Когда на выключатель подается логический 0, он выключается, а лампочка не горит. Переключатель находится в состоянии ON, когда применяется логическая 1, и лампочка загорается. В интегральных схемах (ИС) широко используются логические элементы.

Таблица истинности: Выходы для всех мыслимых комбинаций входов, которые могут применяться к логическим элементам или схемам, перечислены в таблице истинности. Когда мы вводим значения в таблицу истинности, мы обычно выражаем их как 1 или 0, где 1 обозначает истинную логику, а 0 обозначает ложную логику.

Типы логических элементов

Логический элемент представляет собой цифровой элемент, позволяющий передавать данные. Логические вентили используют логику, чтобы определить, передавать сигнал или нет. С другой стороны, логические вентили управляют потоком информации на основе набора правил. Обычно используются следующие типы логических вентилей:

1. AND
2. OR
3. NOT
4. NOR
5. NAND
6. XOR
7. XNOR

Basic Logic Gates

AND Gate

An AND gate has a single output and two or more inputs.

1. Когда все входы равны 1, выход этого элемента равен 1.
2. Булева логика элемента И: Y=A.B , если есть два входа A и B.

Символ элемента И и истинность таблица выглядит следующим образом:

1

1

0081

0

Input		Output
A	B	A AND B
0	0	0
0	1	0
1	09005	0,0005	0,0005
1	1	1

Символ и ворот

Следовательно, в и ворота, когда выходы — высокие выходы.

Схема ИЛИ

В схеме ИЛИ можно использовать два или более входа и один выход.

1. Логика этого элемента такова, что если хотя бы один из входов равен 1, выход будет равен 1.
2. Выход элемента ИЛИ будет задан следующей математической процедурой, если есть два входа A и B: Y =А+В

Input		Output
A	B	A OR B
0	0	0
0	1	1
1	09005	1	09005	1			9008
0080	1
1	1	1

Symbol of OR gate

Therefore, in the OR gate, the output is high when any of the inputs is высокий.

Вентиль НЕ

Вентиль НЕ является базовым вентилем с одним входом и одним выходом.

1. Когда на входе 1, на выходе 0, и наоборот. Вентиль НЕ иногда называют инвертором из-за его функции.
2. Если имеется только один вход A, выход можно рассчитать с помощью логического уравнения Y=A’.

Input	Output
A	Not A
0	1
1	0

Символ ворот НЕ

Логический элемент НЕ, как показывает его таблица истинности, инвертирует входной сигнал.

Универсальные логические элементы

Элемент ИЛИ-НЕ

Элемент ИЛИ-НЕ, иногда называемый элементом НЕ-ИЛИ, состоит из элемента ИЛИ, за которым следует элемент НЕ.

1. Выход этого элемента равен 1 только тогда, когда все его входы равны 0. В качестве альтернативы, когда на всех входах низкий уровень, на выходе высокий уровень.
2. Булев оператор для вентиля ИЛИ-ИЛИ: Y=(A+B)’, если есть два входа A и B.

1

1

0081

0

Input		Output
A	B	A NOR B
0	0	1
0	1	0
1	0	0,0005	0,0005
1	1	0

Symbol of NOR gate

By comparing the truth tables, we can observe that the outputs of the NOR gate are the полярно противоположны воротам ИЛИ. Вентиль ИЛИ-ИЛИ иногда называют универсальным вентилем, поскольку его можно использовать для реализации вентилей ИЛИ, И и НЕ.

Вентиль И-НЕ

Вентиль И-НЕ, иногда называемый вентилем «НЕ-И», по существу является вентилем НЕ, за которым следует вентиль И.

1. Выход этого элемента равен 1, только если ни один из входов не равен 1. В качестве альтернативы, когда все входы не высокие и хотя бы один низкий, выход высокий.
2. If there are two inputs A and B, the Boolean expression for the NAND gate is Y=(A.B)’

Input		Output
A	В	А НЕ-И В
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Символ NAND GATE

Сравнивая их истину, мы сможем, что они являются ими. Вентиль И-НЕ известен как универсальный вентиль, потому что его можно использовать для реализации вентилей И, ИЛИ и НЕ.

Другие логические элементы

Элемент исключающее ИЛИ

Элемент Исключающее ИЛИ или Исключающее ИЛИ представляет собой цифровой логический элемент, который принимает более двух входов, но выводит только одно значение.

1. Если какой-либо из входов «Высокий», выход XOR Gate — «Высокий». Если оба входа «Высокий», выход — «Низкий». Если оба входа — «Низкий», выход «Низкий»
2. Логическое уравнение для вентиля XOR имеет вид Y=A’.B+A.B’, если есть два входа A и B.

915 1. 0005

Input		Output
A	B	A XOR B
0	0	0
0	1	1
1	0	1	0	9 1	0 0005	0	9	0	915	0 0005
1	1	0

Символ XOR GATE

его выходы основаны на или затворе.

Вентиль XNOR

Логический вентиль Exclusive-NOR или EX-NOR представляет собой цифровой логический вентиль, который принимает более двух входов, но выводит только один.

1. Если на обоих входах высокий уровень, то на выходе XNOR Gate будет высокий. Если на обоих входах низкий уровень, на выходе будет высокий. Если на одном из входов низкий уровень, на выходе «Низкий»
2. Если есть два входа A и B, то логическое уравнение вентиля XNOR: Y=A.B+A’B’.

Input		Output
A	B	A XNOR B
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Symbol of XNOR gate

Таблица истинности показывает, что его выходы основаны на логической схеме вентиля НЕ-ИЛИ.

Использование логических элементов

1. Логические элементы используются в различных технологиях. Это компоненты микросхем (ИС), которые являются компонентами компьютеров, телефонов, ноутбуков и других электронных устройств.
2. Логические элементы можно комбинировать различными способами, и миллионы таких комбинаций необходимы для создания новейших гаджетов, спутников и даже роботов.
3. Простые комбинации логических вентилей также можно найти в охранной сигнализации, зуммерах, выключателях и уличных фонарях. Поскольку эти ворота могут выбирать запуск или остановку на основе логики, они часто используются в различных секторах.
4. Логические элементы также важны для передачи данных, вычислений и обработки данных. Даже транзисторно-транзисторная логика и схемы КМОП широко используют логические вентили.

Решенные примеры логических вентилей – определение, типы, использование

Вопрос 1: Что такое логические вентили?

Ответ:

Логические элементы представляют собой цифровые схемы, которые выполняют логические операции над предоставленными им входными данными и производят соответствующие выходные данные.

Вопрос 2: Что такое универсальные ворота?

Ответ:

Для выполнения определенного логического процесса универсальные вентили создаются путем слияния двух или более фундаментальных вентилей. Универсальные вентили — это вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

Вопрос 3: Каков результат вентиля НЕ при подаче на вход 0?

Ответ:

Потому что ворота НЕ являются инвертором. В результате, если в качестве входа используется 0, на выходе будет 1.

Вопрос 4: Какой логический элемент известен как «инвертор»?

Ответ:

Инвертор также известен как вентиль НЕ. Полученный результат является обратным входу.

Вопрос 5:  Что такое логическое выражение для вентиля ИЛИ?

Ответ:

Если A и B являются входом, то выход элемента ИЛИ может быть задан как Y=A+B.

Вопрос 6: Какое логическое выражение для вентиля XNOR?

Ответ:

Если A и B являются входом, то выход вентиля XNOR может быть задан как Y=A.B+A’B’.

Логические вентили и логические семейства

1.    Введение

Базовые логические элементы являются основными строительными блоками более сложных логических схем . Эти логические элементы выполняют основные логические функции, такие как И, ИЛИ, НЕ-И, ИЛИ-НЕ, Инверсия, Исключающее ИЛИ, Исключающее ИЛИ. На рис. 1 показаны символ схемы, логическая функция и таблица истинности операций И, ИЛИ, инвертор, НЕ-И, ИЛИ-НЕ и исключающее ИЛИ соответственно. Из рис. 1 видно, что каждый вентиль имеет один или два бинарных входа, X ₁ и X ₂ и один двоичный выход Z. Маленький кружок на выходе символов схемы обозначает логическое дополнение. Элементы И, ИЛИ, НЕ-И и ИЛИ-НЕ могут быть расширены, чтобы иметь более двух входов.

Вентиль может быть расширен, чтобы иметь несколько входов, если представляемая им бинарная операция является коммутативной и ассоциативной.

Рис. 1. Логические элементы
Имя	Символ цепи	Таблица правды	Уравнения
И		Х1 Х2 З 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1	Z = Х 1 • Х 2
ИЛИ		Х1 Х2 З 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1	Z = Х 1 + Х 2
НЕ		Х1 З 0 1 1 0	Z = Х 1
НЕ-И		Х1 Х2 З 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0	Z = Х 1 • Х 2
НОР		0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0	Z = Х 1 + Х 2
ИСКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ИЛИ		Х1 Х2 З 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0	Z = X 1 Å X 2

Эти базовые логические элементы могут быть реализованы с помощью интегральных схем (ИС) SSI или как часть более сложных схем MSI или VLSI. Цифровые вентили ИС классифицируются не только по их логической работе, но и по конкретному семейству логических схем, к которому они принадлежат. Каждое логическое семейство имеет свою собственную базовую электронную схему, на основе которой развиваются более сложные цифровые схемы и функции. Наиболее часто используются следующие логические семейства.

Транзисторно-транзисторная логика

Логика с эмиттерной связью

Металл-оксид-полупроводник

Комплементарный металл-оксид-полупроводник

TTL и ECL основаны на биполярных транзисторах. TTL хорошо зарекомендовал себя среди логических семейств. ECL используется только в системах, требующих высокой скорости работы. МОП и КМОП основаны на полевых транзисторах. Они широко используются в крупномасштабных интегральных схемах из-за высокой плотности компонентов и относительно низкого энергопотребления. Логика КМОП потребляет гораздо меньше энергии, чем МОП или биполярная логика.

Доступны различные коммерческие интегральные схемы. ИС TTL обычно обозначаются числовым обозначением серий 5400 и 7400. Первый имеет широкий диапазон рабочих температур, подходящий для использования в военных целях, а второй имеет более узкий диапазон температур, подходящий для промышленного использования. Источник питания для микросхем TTL обычно составляет 5 В. Распространенные микросхемы типа CMOS относятся к серии 4000 или серии 74HC00, совместимым по выводам. Напряжение питания для КМОП ИС варьируется от 3В до 15В. Обычный тип ECL обозначается как серия 10 000.

Каждое логическое семейство характеризуется несколькими параметрами схемы.

Разветвление указывает количество стандартных нагрузок, которые может управлять выходом ворот без нарушения его нормальной работы. Стандартная нагрузка обычно определяется как величина тока, необходимая для входа другого вентиля в том же логическом семействе. Иногда вместо разветвления используется термин «загрузка». Одним из наиболее важных факторов, влияющих на нагрузку, является входная емкость следующего затвора. Это тесно связано со структурой полупроводников конкретного логического семейства. Например, стандартный вентиль TTL обычно имеет максимальное разветвление не менее 10. Превышение указанного максимального разветвления (или нагрузки) может привести к неисправности, поскольку схема не может обеспечить требуемую мощность.

Рассеиваемая мощность — потребляемая мощность, необходимая для работы требуемой логической функции. Этот параметр не включает мощность, поступающую от другого затвора. Вообще говоря, ИС с четырьмя затворами потребует от источника питания в четыре раза больше мощности, рассеиваемой в каждом затворе. Рассеиваемая мощность является важным параметром. Сложная электронная система может иметь многие тысячи вентилей. Таким образом, общая рассеиваемая мощность всей системы может быть очень высокой.

Задержка распространения — это временная задержка для перехода сигнала от входа к выходу при изменении значения двоичных входных сигналов. Сигналы, проходящие через вентиль, занимают определенное время для распространения от его входов к выходу. Этот интервал времени определяется как задержка распространения строба. Затем сигналы проходят через ряд вентилей, сумма задержек распространения через вентили является общей задержкой распространения цепи. И входной, и выходной сигналы не являются идеальными сигналами, т. е. имеют конечное время нарастания и спада (см. рис. 2). Следовательно, может быть много способов определить начальную и конечную точки процесса перехода. Вообще говоря, начальная точка процесса перехода зависит от пороговой точки рассматриваемого гейта, а конечная точка процесса перехода зависит от пороговой точки следующего гейта. Например, начальная и конечная точки обычно выбираются при половине размаха напряжения входного и выходного сигналов (см. рис. 2). Следует отметить, что переходный период для нарастающего и спадающего фронтов одного и того же затвора не обязательно может быть одним и тем же, хотя обычно желательно иметь симметричный переход.

Рис. 2. Зависимость вход-выход.

Запас помехоустойчивости — это максимальное шумовое напряжение, добавляемое к входному сигналу цифровой схемы, которое не вызывает нежелательных изменений на выходе. Следует учитывать два типа шума. Шум постоянного тока вызван дрейфом уровней напряжения сигнала. Шум переменного тока представляет собой случайный импульс, который может создаваться другими сигналами переключения. Различные логические семейства имеют разные пределы шума в соответствии с их внутренней структурой. Например, стандартный TTL-затвор будет иметь запас по шуму 1 В, тогда как КМОП-затвор имеет запас по шуму 40 % от напряжения питания (т. е. если V _DD = 5В, его запас по шуму 2В).

2.    Цели

Целью этой лабораторной работы является введение в понятие некоторых основных логических вентилей и их динамических характеристик. Учащиеся должны ознакомиться с этими характеристиками. В связи с тем, что логика КМОП более широко используется в цифровых схемах СБИС, чем любая другая логика, студенты должны понимать базовую структуру логики КМОП.

3.   Эксперименты

Во время этого эксперимента и на протяжении всего курса вы можете делать снимки экрана осциллографа, которые помогут вам анализировать сигналы и включать их в отчеты о лабораторных работах. На компьютерах в лаборатории установлено программное обеспечение Metrotrek Waveform Manager Pro, которое можно использовать для захвата этих изображений; вы можете сохранить захваченные изображения для последующего использования. Инструкции по использованию этого программного обеспечения см. в онлайн-руководстве.

3.

1 КМОП-инвертор

На рис. 3 показана схема КМОП-инвертора. Он состоит из МОП-транзистора p-типа и МОП-транзистора n-типа. 4069 содержит 6 таких инверторов на одной микросхеме. Подключите один из инверторов, как показано на рис. 4. Изменяя положение потенциометра, мы можем изменить входное напряжение инвертора. Нарисуйте входную кривую в зависимости от выходной с входным напряжением в диапазоне от 0 В до 5 В. Предположим, что в идеале логический 0 равен 0 В, а логическая 1 — 5 В. По входной/выходной передаточной функции можете определить ее запас по шуму? Теперь подайте прямоугольную волну на вход инвертора. Наблюдайте и измеряйте его задержку распространения как для нарастающего, так и для спадающего фронта (используйте пробник с увеличением 10x). Теперь подключите параллельно оставшиеся 5 инверторов к выходу инвертора и снова измерьте задержку распространения первого инвертора. Затем поднесите щуп к выходу одного из пяти параллельных инверторов, снова измерьте задержку. Объясните ваши измерения (помните, что датчик эндоскопа — это груз; сравните его эффект с эффектом 5 параллельных нагрузок).

Рис. 3. КМОП-инвертор. Рис. 4. Схема измерения отношения ввода/вывода.

3,2 CMOS NAND Gate

На рис. 5 показана схема вентиля CMOS NAND с двумя входами. Используйте один из вентилей CMOS NAND в 4011, чтобы проверить его работу и измерить его задержку распространения как для нарастающего, так и для спадающего фронта, используя тот же метод, что и в эксперименте с инвертором. Теперь соедините все входы оставшихся трех вентилей И-НЕ на микросхеме с выходом и снова измерьте задержку распространения. Объясните свой результат.

Рис. 5. Вентиль CMOS NAND.

3.3 КМОП И вентиль

Теперь, когда вы можете использовать И-НЕ и инвертор, используйте их для построения логического элемента И. Попробуй это. Нарисуйте таблицу истинности для проверки функции. Измерьте задержку распространения для схемы и сравните ее с задержкой логического элемента И-НЕ.