Логические элементы

Сферы применения и виды логических элементов

Логические элементы могут быть электромеханическими, механическими, оптическими, пневматическими, гидравлическими, электронными. С развитием электротехники от механических логических элементов перешли сначала к электромеханическим, выполненным на основе электромагнитного реле, а потом к электронным, которые сначала изготавливались на основе электронных ламп, а потом транзисторов.

Логические элементы представляют собой самые простые цифровые микросхемы. Обычно, в одном корпусе микросхемы может находиться от одного до шести одинаковых логических элементов. У каждого логического элемента имеется один выход и от одного до двенадцати входов. Каждой отдельной комбинации входных сигналов логического элемента соответствует уровень единицы или нуля на выходе. В логических элементах отсутствует внутренняя память, поэтому их относят к группе комбинационных микросхем, самыми распространенными из которых являются:

• Постоянное запоминающее устройство (используется для хранения неизменяемых данных).
• Сумматор (преобразует информационные сигналы в сигнал эквивалентный их сумме).
• Мажоритарный элемент (используется в бортовых электронно-вычислительных машинах).
• Полусумматор.
• Цифровой компаратор (используются в вычислительной и измерительной технике).
• Шифратор (применяется для преобразование кодов).
• Дешифратор.
• Мультиплексор.
• Демультиплексор.

Основными достоинствами логических элементов, относительно других микросхем, являются небольшое время задержки (быстродействие) и малая потребляемая мощность. Недостаток логических элементов заключается в том, что на их основе довольно сложно реализовать сложные функции.

Самым простым логическим устройством является инвертор. Его задача заключается в инвертировании, то есть изменении входного сигнала на противоположный. Отличие буферов и повторителей от инвертора состоит в том, что сигналы по ним могут распространяться в двух разных направлениях. Логические элементы И - НЕ, И, ИЛИ и ИЛИ - НЕ могут выполнять простые логические операции. Их схожесть заключается в наличии равноправных входов и одного выхода.

Основные параметры логического элемента

К основным параметрам логического элемента относятся:

1. Напряжение питания. Данный параметр представляет собой напряжение внешнего источника питания, который подключен к выводам логического элемента, необходимое для его нормального функционирования. Потребляемая мощность. Данный параметр характеризует экономичность логического элемента. Существует два вида потребляемой энергии - потребляемая мощность в состоянии логического нуля (Р0) и потребляемая мощность в состоянии логической единицы (Р1). На практике используется средняя потребляемая мощность, рассчитываемая по формуле: $Рср = 0,5 · (Р0+Р1)$.
2. Напряжение логического нуля и напряжение логической единицы. Данные параметры представляют собой напряжения на выводе логического элемента, соответствующие логической единице или логическому нулю. Обычно напряжение логического нуля низкое, логической единицы высокое.
3. Коэффициент разветвления по выходу. Данный параметр представляет собой максимальное количество логических элементов из данной серии, которые могут быть одновременно подключены к выходу одного элемента без нарушения работоспособности.
4. Коэффициент объединения по входу. Данный коэффициент представляет собой количество входов логического элемента, по которым реализуются операции (логические функции).
5. Время задержки распространения сигнала. Данный параметр характеризует время распространения сигнала от входа до выхода логического элемента. Различают три вида задержки: среднее время задержки, время распространения сигнала при включенном логическом элементе, время распространения сигнала при выключенном логическом элементе. Время распространения при включенном логическом элементе представляет собой длительность интервала между положениями передних фронтов напряжения на выходного и входного импульсов логического элемента. Передний фронт выходного импульса - переход от напряжения логической единицы к нулю, передний фронт входного импульса представляет собой изменение входного напряжения, которое является причиной изменения выходного напряжения. Время задержки распространения при выключенном логическом элементе представляет собой длительность интервала времени между положениями задних фронтов входного и выходного импульсов. Задний фронт входного импульса является переходом от выходного напряжения от логической единицы к нулю, а под задним фронтом входного импульса подразумевается изменение напряжения, являющееся причиной перехода.