Комбинационные устройства: ЛЭ, шифраторы, дешифраторы, сумматоры. Назначение, устройство, условные обозначения, ТИС.

Логическими элементами (ЛЭ) называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции (рис.3.1). Они обычно используются для построения сложных преобразователей цифровых сигналов комбинационного типа, в которых отсутствует внутренняя память. Сигналы на их выходах в любой момент однозначно определяются сочетаниями сигналов на входах и не зависят от предыдущих состояний схемы. Характерной особенностью комбинационных устройств является отсутствие петель обратной связи. ЛЭ выполняются в виде ИМС, в которых чаще всего используется, так называемая положительная логика: логическая 1 соответствует высокому, а логический 0 – низкому уровням напряжения. Если наоборот, то логика отрицательная. В зависимости от компонентов логического элемента и способа их соединения различают следующие типы логик: - диодно-транзисторная логика (ДТЛ) – одна из первых исторически, сейчас практически не применяется; - транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ); - эмитерно-связанная логика (ЭСЛ); - инжекционно-интегральная логика (И²Л, ИИЛ); - на МДП-транзисторах (КМОП) и др.

Общие сведения о микросхеме указываются в ее условном обозначении, нанесенном на корпусе ИС. Оно включает номер серии ИС (обычно три или четыре цифры), перед которым может быть одна или две буквы. У микросхем широкого применения первой ставят букву К, вторая буква характеризует материал корпуса для защиты от воздействия внешней среды (Р – пластмассовый, М или С – металло- или стеклокерамический, соответственно). За номером серии следует две буквы, поясняющие функциональное назначение ИС. Для всех ИЛЭ первой из них следует буква Л, вторая буква определяет тип логического элемента (И – элемент И, Л – ИЛИ, Н – НЕ, Д – расширитель по ИЛИ, А – элемент И – НЕ, Е – элемент ИЛИ – НЕ, Р – комбинированный элемент И – ИЛИ – НЕ). Цифра в конце условного обозначения соответствует порядковому номеру разработки ИС в составе данной серии.

Логический элемент НЕ обозначается на схемах следующим образом: (пишется X c чертой сверху)

Логическое ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция): Y= X1 + X2 = X1VX2 Техническая реализация этой функции - два параллельно соединенных ключа:

Логическое И (логическое умножение, конъюнкция, схема совпадений): Y = X1X2 = X1&X2

Техническая реализация этой функции - два последовательно со диненных ключа:

Шифратор – устройство, осуществляющее двоичное кодирование сигналов. Обратен дешифратору двоичных сигналов. В простейшем случае шифратор сопоставляет активному уровню на одном из входов двоичный выходной код. При этом количество его выходов всегда меньше, чем входов. Например, при четырех входах будет два выхода

Дешифратор (преобразователь кода) – это устройство для преобразования кода числа на входе (комбинации входных сигналов) в сигнал на определенном выходе. Дешифраторы преобразуют: двоичный код, двоично-десятичный код, код Грея. Например, преобразователь двоичного кода – полный дешифратор 2×4 (рис. 3.4,а, б).

Если при n входах дешифратор имеет m = 2ⁿ выходов, то такой дешифратор называется полным, при m < 2ⁿ – неполным или частичным. Двоично-десятичныйдешифратор преобразует двоичный код в семисегментный (неполный). Он используется при выводе числа на знаковый семисегментный индикатор (например, в часах).

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):

МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП). Существует также смешанная технология BiCMOS.

МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида кремния SiO2. В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы на основе МОП-структур называют полевыми, или МОП-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET).

КМОП (К-МОП; комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП[1];) — технология построения электронных схем. В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.

Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, управляются напряжением, а не током и называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного типа.