Изучение простейших логических элементов

Л а б о р а т о р н а я   р а б о т а   № 3

Изучение простейших логических элементов

Ц е л ь  р а б о т ы. Изучить структуру, принцип действия и особенности построения простейших логических элементов, оценить устойчивость их работы при вариации питающих напряжений

1 Краткие сведения из теории

Основной элементной базой  современных систем автоматики являются интегральные микросхемы. Важное значение имеют цифровые микросхемы. Они выпускаются сериями и позволяют строить практически все функциональные узлы и блоки. Серией называется совокупность микросхем различного функционального назначения, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение. В качестве активных элементов цифровых микросхем используют транзисторы, тиристоры и симисторы. Последние два типа элементов используются в основном для переключения постоянного и переменного токов в сильноточных цепях для привода моторов, управления работой нагревательных приборов и других мощных устройств, для обработки данных. Эти элементы являются бесконтактными переключателями, которые имеют гораздо большие надежность и срок годности, чем механические переключатели к которым относятся также и реле. Кроме того, транзисторы, тиристоры и симисторы являются усилителями, т. е. они могут переключать относительно большие токи при небольших затратах энергии на управление. Из цифровых транзисторных схем легко собирать более сложные логические схемы, и получаемые в результате интегральные схемы (ИС)  могут содержать до нескольких десятков тысяч транзисторов на одной кремниевой пластине (чипе) площадью в несколько квадратных миллиметров. В этих случаях говорят о цифровых схемах типа МИС (малые ИС с количеством элементов до 10), СИС (средние ИС с количеством элементов от 11 до 100), БИС (большие ИС с количеством элементов от 101 до 1000) и СБИС (сверхбольшие ИС с количеством элементов более 10 000). Примером СБИС является современный микропроцессор, который состоит более чем из 20 000 транзисторов на одном кристалле.

Логические схемы можно разделить на две большие группы:

а) схемы, в которых транзистор управляется в режиме насыщения (насыщенные логические схемы);

б) схемы, в которых транзистор управляется в ненасыщенном режиме (ненасыщенные логические схемы).

Логические схемы первой группы являются более медленными, так как при работе в режиме насыщения на транзистор оказывает влияние эффект накопления заряда. Быстродействие таких схем можно увеличить путем применения в них транзисторов с высокой граничной частотой.

Достоинством насыщенных логических схем при низкой частоте переключения является малое рассеяние мощности в транзисторе в режиме переключения. В запертом состоянии через транзистор протекает малый ток и рассеяние мощности близко к нулю. То же наблюдается и в открытом состоянии, так как напряжение насыщения эпитаксиального транзистора оказывается незначительным. Другим достоинством насыщенных схем является более низкая чувствительность к помехам. К ненасыщенным логическим схемам относится семейство эмиттерно-связанных логических схем (ЭСЛ-семейство).

На данном этапе промышленностью  выпускаются в основном ИС на базе биполярных и полевых транзисторов.

Способ соединения транзисторов между собой в пределах одного элемента определяет их логический базис. На биполярных транзисторах наиболее часто выполняют  элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Реже используют диодную (ДЛ) и диодно-транзисторную логику (ДТЛ). Логические элементы с непосредственной связью (НСТЛ), резисторно-транзисторная (РТЛ) и резисторно-емкостная (РЕЛ) логики устарели и не применяются в новых разработках. Инжекционно-интегральная логика (ИИЛ или И²Л) представляет собой развитие транзисторной логики с непосредственной связью. Схемы И²Л позволяют преодолеть традиционные недостатки биполярных