Цифровое оборудование

Объединение выходов, энергопоребление, логические базисы

Как объединять входы, и как объединять выходы? Схемы с тремя состояниями.

Все эти схемы отличаются тем, что их входы имеют практически бесконечное сопротивление. Поэтому к выходу одного логического элемента можно подключать сколько угодно входов других элементов, не опасаясь, что возникнет перегрузка. А вот выходы этих схем соединять нельзя ни в коем случае. Ведь если в одном из элементов окажется открыт транзистор, соединенный с землей, а в другом в это же время откроется транзистор, соединенный с питанием, через эти два транзистора потечет слишком большой ток, и они просто сгорят. Однако на практике, необходимость подключения к одному проводу нескольких выходов логических элементов возникает довольно часто. Для этого существуют специальные буферные схемы. В отличие от обычных логических элементов, эти схемы имеют не два возможных состояния выхода, а три – логический ноль, логическая единица, и состояние высокого сопротивления. В состоянии высокого сопротивления выход такого элемента как бы отключается от проводника. Соответственно, такие элементы называют «схемы с тремя состояниями». 

Особенности потребления энергии.

К основным свойствам логических элементов на основе КМОП-технологии относится очень малое потребление энергии такими элементами. Любой логический элемент состоит из пар дополняющих друг друга транзисторов. В каждый момент времени может быть открыт только один транзистор из пары, и следовательно, общий ток, протекающий через пару транзисторов будет очень мал. Соответственно, мало будет потребление энергии и выделяемое тепло. Исключение составляет момент времени, когда происходит переключение пары транзисторов из одного логического состояния в другое. В этот момент один транзистор еще не успел полностью закрыться, а другой уже начал открываться. Ток через пару транзисторов на короткое время возрастает, возрастает и выделяемое тепло. Таким образом, пока пара транзисторов не переключается, она практически не потребляет энергии и не выделяет тепло. При каждом переключении пара транзисторов потребляет определенное количество энергии и выделяет определенную порцию тепла. Чем больше произойдет переключений в единицу времени, тем больше израсходуется энергии и тем больше выделится тепла.

Логические базисы.

Путем различных комбинаций логические элементы можно выражать друг через друга, а также строить из них схемы с более сложными логическими функциями. Любую логическую функцию можно выразить при помощи минимального набора базовых логических элементов. Такой минимальный набор называется базисом. Наиболее прост для понимания базис, состоящий из трех типов элементов – И, ИЛИ, НЕ. На практике, в цифровых устройствах чаще применяются базисы, состоящие из элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ, поскольку такие элементы проще составлять из транзисторов. Любая логическая схема может быть представлена в любом базисе.

Исключающее ИЛИ

Например, в виде комбинации логических элементов ИЛИ-НЕ можно представить логический элемент «Исключающее ИЛИ». Этот элемент должен выдавать логическую единицу только в том случае, если два логических значения на его входах не равны друг другу. Другими словами - если единице равен не какой-нибудь из его входов, как в обычном элементе «ИЛИ», а ТОЛЬКО ОДИН из его входов.