логический ноль и логическая единица что это
Основные понятия цифровой схемотехники
Прежде чем мы начнем создавать цифровые устройства, определимся, что они собой представляют и рассмотрим основные понятия. Итак, цифровая схемотехника отличается от аналоговой тем, что работает она только с двумя уровнями сигнала – высоким и низким, которые соответственно называют «логическая единица» и «логический ноль». Поэтому первые (и основные) два понятия будут следующими:
Никаких других уровней цифровая схемотехника не допускает, только «есть напряжение»/»нет напряжения». С виду мало, но тому же ПК, за которым вы сейчас сидите, как видите, хватает.
В зависимости от того, на какой элементной базе собраны цифровые микросхемы, они могут различаться, как говорят, по типу логики. Существует несколько типов, но самое широкое распространение получили транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) или просто ТТЛ-микросхемы и комплементарный металлооксидный полупроводник (КМОП) или КМОП-микросхемы.
Первый тип микросхем собран на биполярных транзисторах, второй на полевых и каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. ТТЛ микросхема, к примеру, может работать на более высоких, чем КМОП микросхема частотах и более помехоустойчива, но вторая потребляет с десятки и даже сотни раз меньше энергии и не так критична к стабильности величины питающего напряжения.
Стандартным напряжением для ТТЛ микросхем принято считать 5 В, при этом логическая единица близка к значению +5 В, ноль – напряжение относительно «–» источника питания отсутствует. Диапазон напряжений питания КМОП микросхем достаточно широк – от 3 В до 12 и даже выше, но принцип сохраняется: логическая единица – напряжение, близкое к источнику питания, логический ноль – напряжение отсутствует.
Слева – логический элемент ТТЛ микросхемы, справа – КМОП
Несмотря на такое отличие ТТЛ от КМОП (а есть еще ТТЛШ, ЭСЛ, ДТЛ и пр.) микросхем, логика их работы ничем не отличается, а это значит, что схемотехника цифровых устройств на ТТЛ и КМОП будет очень схожа. Настолько схожа, что во многих случаях ее можно будет назвать одинаковой, в чем мы в самое ближайшее время и убедимся.
Основные элементы цифровой логики
Цифровая логика, элементы, ее представляющие, работают с так называемыми цифровыми сигналами. В отличие от аналоговых, цифровые сигналы принимают два возможных значения: логическая единица и логический нуль. Логическая единица обозначается для краткости «1» или, в некоторых случаях, «высоким» уровнем («В»), Логический нуль, соответственно, обозначается «О» или «низким» уровнем («Н»), Логические элементы, или элементы цифровой логики, построены на биполярных и полевых транзисторах, работающих в режимах насыщения и отсечки.
Наибольшее распространение получили проверенные временем цифровые логические элементы на основе биполярных транзисторов — ТТЛ-элементы (транзисторно-транзисторная логика) и на основе полевых транзисторов — KTWO/7-элементы (комплементарные, на основе переходов металл-окисел-полу- проводник).
Логические элементы ТТЛ, ассортимент которых насчитывает до 200 наименований различной степени интеграции и функционального назначения, работают при напряжении питания 5 В. Эти микросхемы способны работать до частот 20… 100 МГц и потребляют от источника питания значительный ток.
KTWO/7-элементы работают в широком диапазоне напряжений питания 5… 15 Б, иногда от 3 В. Это исключительно экономичные элементы, которые можно использовать совместно с ТТЛ логикой. Заметный и малоустранимый недостаток большинства этих элементов — относительно низкие рабочие частоты, не превышающие 1 …5 МГц.
Ниже будут рассмотрены основные логические элементы цифровой логики.
Поскольку история цифровых логических элементов насчитывает не столь уж много лет, условные символы, используемые для обозначения логических элементов в разных странах мира, заметно отличаются. Поэтому, в порядке сравнения, и для того, чтобы можно было уверенно разбираться в схемах, опубликованных в отечественных и зарубежных источниках информации, приведены условные обозначения, принятые у нас и в ряде англоговорящих стран (Великобритания, США).
Повторитель (Repeater) — логический элемент, выполняющий функцию повторителя. Элемент может быть реализован на основе эмиттерного (рис. 3.2, 3.5) или истокового (рис. 3.8) повторителей. Переходные конденсаторы (рис. 3.2, 3.5) следует исключить из схемы. Входной сигнал подается на базу транзистора (рис. 3.2, 3.5) через резистор R1 (10 кОм). Номинал резистора R2 — 1 кОм. При подаче на вход такого элемента управляющего сигнала А, на выходе элемента формируется сигнал У, полностью идентичный входному.
НЕ (NOT) — логический элемент, называемый также инвертором, может быть изготовлен на основе схем, показанных на рис. 3.1, 3.4, 3.7. Выходной сигнал Y является «зеркальной» или «перевернутой» копией входного: когда на входе элемента логическая единица, на выходе — логический нуль, и наоборот.
ИЛИ (OR) — в этом элементе выходной сигнал Y принимает значение логической единицы при наличии на хотя бы одном из его нескольких входах сигнала логической единицы. Если на этих входах логический нуль, на выходе элемента также логический нуль.
ИЛИ-НЕ (OR-NOT) — представляет собой последовательное включение элементов ИЛИ (OR) и НЕ (NOT). Выходной сигнал У схемы ИЛИ-НЕ при наличии на его входах логического нуля принимает значение логической единицы. Стоит хотя бы одному из входных сигналов принять значение логической единицы, выходной сигнал У переключится на логический нуль.
И (AND) — этот элемент выполняет функцию схемы совпадения. Его эквивалентную схему можно представить в виде двух или нескольких (по числу входов) последовательно включенных электрических ключей (выключателей): выходной сигнал будет иметь значение логической единицы только в том случае, если на все входы этого логического элемента будет подан уровень логической единицы.
И-НЕ (AND-NOT) — как следует из названия элемента, это устройство представляет собой последовательно включенные элементы И (AND) и НЕ (NOT). При одновременной подаче на входы этого элемента уровней логической единицы на выходе У элемента будет уровень логического нуля. Если хотя бы на одном из
входов элемента сигнал примет уровень логической единицы, сигнал на выходе устройства немедленно переключится с «нуля» на «единицу».
Эквивалентность (Equivalence) — представляет собой более сложный по структуре логический элемент. Это логическое устройство имеет на выходе логическую единицу только в том случае, когда все без исключения сигналы на его входах будут иметь один и тот же (т.е. одинаковый, эквивалентный) логический уровень, причем не имеет значения, «ноль» это или «единица».
Исключающее ИЛИ (Excluding OR) — выходной сигнал Y этого логического элемента принимает значение логической единицы только в том случае, когда на одном из его входов присутствует логическая единица, а на всех остальных — логический нуль. Стоит нарушить это условие, сигнал на выходе элемента примет значение логического нуля.
На основе простейших элементов цифровой логики могут быть синтезированы практически любые и сколь угодно более сложные устройства цифровой логики — триггеры, счетчики, шифраторы, дешифраторы и другие. В то же время из более сложных элементов могут быть получены более простые. В этом можно легко убедиться умозрительно, анализируя информацию, приведенную на рис. 26.1, либо экспериментально. Так, например, соединив вместе входы А и В элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ, можно получить элемент НЕ.
Отметим попутно, что чаще всего «лишние» неиспользуемые входы логических элементов объединяют с другими выводами, либо соединяют с общей «земляной» шиной или шиной питания (для ТТЛ-микросхем соединение незадейство- ванного входа с шиной питания лучше выполнять через резистор сопротивлением 1…2 кОм).
Для наглядного представления соотношения уровней сигналов на входах и выходах логических элементов приведены соответствующие графики (рис. 26.1).
Для имитации, моделирования и изучения показаны простейшие схемные эквиваленты логических элементов, выполненные на обычных переключателях. Подача сигнала логической единицы соответствует замыканию соответствующего ключа (или переключению сдвоенного ключа для схем, имитирующих функцию элементов Эквивалентность и Исключающее ИЛИ). В порядке изучения логических элементов рекомендуется самостоятельно собрать и исследовать работу схемных эквивалентов, использовав в качестве индикатора логического уровня авометр.
Таблица истинности в дополнение к графикам сигналов и схемным эквивалентам дает представление о взаимосвязи процессов на входах и выходах логических элементов. В других литературных источниках «1» может иметь обозначение «Н» — «High», а «О» — обозначение «L» — «Low».
Примеры существующих зарубежных логических элементов серии ТТЛ (771) и КМОП (CMOS) и их отечественных аналогов также имеются на рис. 26.1.
Цифровые микросхемы могут быть использованы в качестве аналоговых. Примеры нетрадиционного использования цифровых микросхем в аналоговой технике приведены в главе 29.
В то же время существуют микросхемы, способные работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами. К таким микросхемам можно отнести коммутаторы аналоговых и цифровых сигналов, выполненные на KTWO/7-элементах (микросхемы К176КТ1, К561КТЗ, К564КТЗ — четырехканальные коммутаторы) и селекторы-мультиплексоры (многоканальные многопозиционные переключатели, например, К561КП1, К561КП2).
Для перехода от цифровых сигналов к аналоговым и обратно используют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).
Уровни напряжения логических схем «0» и «1» и согласование транзисторно-транзисторной логики ТТЛ и КМОП логики с помощью обратной связи, резисторов, транзистора
Вследствие наличия паразитных падений напряжения в схемах на транзисторах, наводок, длины линии передачи сигнала и т.д.. Поэтому для логических схем интерпретируют сигналы как логическую единицу или логический нуль, даже в тех случаях, когда напряжение сигналов лежит в диапазоне между полным напряжением питания и нулём, то есть номинально не соответствует ни тому ни другом показателю.
Номинальное напряжение питания для логических радиоэлементов (микросхем) и номинальное значение логического 0 и логической 1
Спецификации входных и выходных сигналов схем КМОП логических элементов совершенно отличны от уровней напряжения, используемых для ТТЛ-элементов. Для КМОП-элементов, работающих при напряжении питания 5 вольт, приемлемые напряжения входного сигнала лежат в диапазоне от 0 до 1,5 вольт для низкого логического уровня, и от 3,5 до 5 вольт для высокого логического уровня. «Приемлемые» напряжения выходного сигнала (уровни напряжения, гарантируемые производителем элемента при указанном варианте нагрузки) лежат в диапазоне от 0 до 0,05 вольт для низкого логического уровня, и от 4,95 до 5 вольт для высокого логического уровня.
Представленные значения дают понять, что запас помехоустойчивости КМОП логических элементов гораздо больше аналогичного показателя ТТЛ-элементов: 1,45 вольт как для логического нуля, так и для логической единицы, против максимального запаса в 0,7 В в случае ТТЛ. Другими словами, КМОП-схемы могут выдержать более чем вдвое высокий наложенный шум на входе без ошибок интерпретации сигнала как логического нуля или единицы.
Запас помехоустойчивости КМОП логических схем становится ещё больше при более высоких рабочих напряжениях. В отличие от элементов ТТЛ, напряжение питания которых не превышает 5 вольт, напряжение питания КМОП-схем может достигать 15 (а в некоторых случаях и 18) вольт. Ниже показаны приемлемые уровни логических нуля и единицы, для выхода и входа КМОП-ИС, работающих при напряжении питания 10 и 15 вольт соответственно:
Помехоустойчивость при единичных (разовых) скачках напряжения, появления помехи (наводки)
В пределах «неопределённого» диапазона для любого входа логического элемента, будет иметься точка разделения актуального сигнала низкого уровня от диапазона действительного входного сигнала высокого уровня. То есть, где-то между наименьшим напряжением сигнала высокого логического уровня и наибольшим напряжением сигнала низкого логического уровня гарантированного производителем, существует порог напряжения, при котором логическая схема будет менять интерпретацию сигнала с высокого на низкий и наоборот. В случае большей части логических схем, это напряжение соответствует одной определённой точке:
При наличии шумового напряжения переменного тока, наложенного на входной сигнал постоянного тока единственная точка, в которой схема переменит интерпретацию логического уровня будет обуславливать ошибочный сигнал на выходе.
Подобная проблема характерна также для аналоговых ОУ-компараторов напряжения. В случае одиночной пороговой точки смены логического уровня наличие значительного шума может привести к неверной интерпретации логического уровня на выходе.
Эту проблему можно решить путём введения в цепь усилителя положительной обратной связи. В случае операционного усилителя необходимо соединить выход с неинвертирующим входом через резистор. Схемы подобного типа называются триггерами Шмитта. Триггеры Шмитта идентифицируют логический уровень сигнала согласно двум пороговым уровням: при нарастающем напряжении (VT+), и при падающем напряжении (VT-):
На схемах триггеры Шмитта изображаются с символом «гистерезиса». Гистерезис, вызванный положительной обратной связью в схеме логического элемента, придаёт схеме дополнительную помехоустойчивость. Триггеры Шмитта часто используются в схемах с высокой вероятностью шума на входе, а также в тех случаях когда ошибочно интерпретированный сигнал на выходе приведёт к некорректной работе системы в целом.
Различные требования по уровням напряжения ТТЛ- и КМОП-элементов создают определённые проблемы при использовании в одной схеме элементов двух типов. Хотя работа КМОП логических элементов может осуществляться при том же напряжении питания 5,00 В, которое необходимо для элементов ТТЛ, выходные уровни напряжения ТТЛ логики несовместимы с входными требованиями по напряжению для КМОП-схем.
Возьмём к примеру ТТЛ-элемент НЕ-И, сигнал с выхода которого подаётся на вход КМОП-инвертора. Питание обоих элементов составляет 5,00 В (Vcc). Если с выхода элемента ТТЛ приходит сигнал логического нуля (т.е. между 0 и 0,5 В), то он будет верно интерпретирован на входе КМОП-схемы как сигнал низкого логического уровня (т.е. сигнал между 0 и 1,5 В):
Однако, если с выхода элемента ТТЛ приходит сигнал логической единицы (т.е. между 5 и 2,7 В), то он может быть неверно интерпретирован на входе КМОП-схемы как сигнал высокого логического уровня (т.е. ожидается сигнал между 5 и 3,5 В):
Такое несоответствие может привести к тому, что «правильный» сигнал высокого уровня на выходе ТТЛ- элемента (правильный с точки зрения стандартов ТТЛ) будет лежат в «неопределённом» диапазоне входа КМОП-схемы, и быть неверно воспринят как сигнал логического нуля принимающим элементом. Простым решением этой проблемы может стать повышение сигнала логической единицы элемента ТТЛ с помощью нагрузочного повышающего резистора:
Однако потребуется гораздо более серьёзная переделка схемы, если питание КМОП-схемы выше 5 вольт:
Проблемы не возникнет в случае логического нуля, однако всё обстоит совершенно иначе в случае сигнала высокого логического уровня с выхода элемента ТТЛ. Диапазон выходного напряжения 2,7-5 В с выхода элемента ТТЛ совершенно не соответствует приемлемому диапазону 7-10 В КМОП логической схемы. Если мы используем ТТЛ-схемы с открытым коллектором, то нагрузочный резистор, включённый в шину питания Vdd 10 вольт, поднимет сигнал высокого логического уровня до полного напряжения питания КМОП логической схемы. Поскольку в схеме с открытым коллектором в наличии только втекающий ток, напряжение логической единицы полностью определяется тем напряжением питания, к которому подключён повышающий резистор, что помогает решить проблему несоответствия уровней напряжения.
Благодаря прекрасным характеристикам выходного напряжения КМОП схем, проблем при подключения ТТЛ элемента к выходу КМОП схемы обычно не возникает. Единственной серьёзной проблемой может стать токовая нагрузка, поскольку КМОП-схема должна обеспечивать втекающий ток на каждый вход элемента ТТЛ в случае логического нуля.
Если КМОП-схема питается от источника напряжения выше 5 вольт (Vcc), то возникнет проблема. Напряжение логической единицы КМОП-схемы выше 5 вольт не будет находиться в диапазоне допустимых входные параметров элемента ТТЛ. Решением этой проблемы может стать инвертор с «открытым коллектором» на дискретном NPN-транзисторе, используемом для соединения двух логических схем:
Повышающий резистор Rpullup используется опционально, поскольку входы элементов ТТЛ принимают высокий логический уровень, когда находятся в плавающем состоянии, что и произойдёт, когда выход КМОП-схемы будет низким, а транзистор будет находиться в состоянии отсечки. Конечно, важным последствием такого решения является логическая инверсия, создаваемая транзистором: когда на выходе КМОП-схемы будет сигнал логического нуля, элемент ТТЛ будет «видеть» логическую единицу и наоборот. Однако, если принимать эту инверсию во внимание, то корректная работа схемы не будет нарушена.
Логический ноль и логическая единица что это
