3. Схемы электронных логических элементов

Ранее было показано, что основными электронными логическими элементами, используемыми для создания схем, выполняющих сложные логические операции, являются элементы "НЕ", "ИЛИ" и "И". Логические элементы могут быть выполнены на основе электронных ламп, полупроводниковых диодов или триодов, ферритов, приборов, основанных на использовании явлений сверхпроводимости, параметрического резонанса и т. д. Учитывая, однако, ограниченный объем книги, ниже рассматриваются только наиболее распространенные логические элементы, созданные на вакуумных и полупроводниковых приборах.

а) Логический элемент типа "НЕ"

Схема "НЕ" (называемая часто инвертором), выполненная на вакуумном триоде, показана на рис. 2.14. В этой схеме на сетку лампы подается запирающее напряжение u_с. Поэтому при отсутствии сигнала на входе схемы лампа заперта и на выходе имеется напряжение u_а, принятое за единицу.

Рис. 2.14. Схема 'НЕ' на вакуумном триоде

Для упрощения изложения примем, что внутреннее сопротивление лампы равно нулю. Тогда, если подать на вход (А) схемы положительное напряжение, большее, чем u_с, то лампа отпирается и напряжение на выходе (В) схемы становится равным нулю^*.

^* (В действительности лампа имеет внутреннее сопротивление, и поэтому напряжение на выходе схемы не равно нулю. Однако это напряжение в 5÷10 раз меньше u_а, принятого за единицу, и считается сигналом нуля.)

Благодаря этому схема рис. 2.14 выполняет операцию отрицания

Схема инвертора может быть также выполнена на полупроводниковом триоде типа p-n-p (рис. 2.15). В этой схеме триод при отсутствии сигнала на входе схемы заперт и на выходе имеется напряжение (u_эк). Если же на вход схемы подать отпирающее напряжение, то триод открывается и напряжение на выходе становится равным нулю (внутренним сопротивлением открытого триода пренебрегаем).

Рис. 2.15. Схема 'НЕ' на полупроводниковом триоде

Инвертор, выполненный на полупроводниковом диоде, показан на рис. 2.16. Поскольку R₁ = R₂, то при отсутствии напряжения на входе схемы на выходе имеется напряжение ¹/₂ u. Подадим на вход напряжение, большее, чем u. В этом случае на сопротивлении R₁ появится напряжение, направленное навстречу u, и напряжение на выходе станет равным нулю.

Рис. 2.16. Схема 'НЕ' на полупроводниковом диоде

б) Логический элемент типа "И"

Этот элемент имеет несколько входов. Количество этих входов равно числу напряжении, при наличии которых должен появиться сигнал на выходе схемы.

Рассмотрим вначале схему элемента "И", выполненную на вакуумном пентоде (рис. 2.17). Нетрудно увидеть, что напряжение на выходе этой схемы появится лишь в том случае, когда на оба входа будут поданы напряжения, большие, чем u_с. Вентили в цепях сопротивлений r устанавливаются для того, чтобы при подаче положительного потенциала только на одну сетку (наличие напряжения только на одном из входов) вторая сетка также не оказалась бы под положительным потенциалом. В случае, когда внутреннее сопротивление источника напряжения u_с мало, вентили в схеме могут отсутствовать.

Рис. 2.17. Схема 'И' на вакуумном пентоде

Схема элемента, выполненная на полупроводниковых триодах, показана на рис. 2.18. Здесь напряжение на выходе появится в том случае, когда будут открыты оба триода. Если необходимо выполнить схему на n входов, то в ней должно быть установлено n последовательно включенных триодов.

Рис. 2.18. Схема 'И' на полупроводниковых триодах

Схема типа "И" может быть также выполнена на полупроводниковых диодах. На рис. 2.19, а показана схема, выполненная на четыре входных напряжения. Напряжение на выходе этой схемы появляется только тогда, когда поданы напряжения на все четыре входа схемы.

Рис. 2.19. Схемы 'И' на полупроводниковых диодах

В ряде случаев плюсовые входные зажимы схемы электрически соединяются с минусовым зажимом через внутренние сопротивления устройств, включенных на входы логического элемента. В этих случаях, если внутренние сопротивления устройств достаточно малы, схема элемента типа "И" значительно упрощается и принимает вид, показанный на рис. 2.19, б.

в) Логический элемент типа "ИЛИ"

Схема типа "ИЛИ", выполненная на вакуумных триодах, показана на рис. 2.20. Здесь сигнал на выходе появляется в том случае, если подан сигнал на один из входов (если открыт один из триодов).

Рис. 2.20. Схема 'ИЛИ' на вакуумных триодах

На полупроводниковых триодах схема "ИЛИ" имеет вид, показанный на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Схема 'ИЛИ' на полупроводниковых триодах

Наиболее просто схема выполняется на полупроводниковых диодах. Так, например, на рис. 2.22 показана схема "ИЛИ", выполненная на три входных напряжения.

Рис. 2.22. Схема 'ИЛИ' на полупроводниковых диодах

Кроме рассмотренных типов логических элементов, в кибернетических системах широко применяется еще одно устройство, называемое триггером.

Характерной особенностью триггера является наличие двух устойчивых состояний. Одному из этих состояний можно присвоить символ "0", а другому - "1". Благодаря этому триггер может использоваться в качестве бесконтактного переключателя или элемента памяти.

Схема триггера, выполненного на вакуумных триодах, показана на рис. 2.23. Характерной особенностью этой схемы является то, что сетка каждой лампы через сопротивление соединяется с анодом другой лампы.

Рис. 2.23. Принципиальная схема триггера на вакуумных триодах

Если включить на триггер анодное напряжение (u_а), то вследствие некоторой разницы в характеристиках ламп токи, проходящие через эти лампы, не будут совершенно одинаковыми. Предположим, что наибольшим оказался ток лампы Л₁. Тогда из-за большего падения напряжения на сопротивлении R₃ потенциал в точке а (относительно - u_а) будет меньше потенциала в точке b. Поэтому потенциал сетки лампы Л₂ окажется меньшим, чем потенциал сетки лампы Л₁, что еще в большей степени увеличит сопротивление лампы Л₂ по сравнению с лампой Л₁. Вследствие этого потенциал в точке b еще в большей степени возрастет относительно точки а. Произойдет так называемый процесс опрокидывания. В конечном итоге лампа Л₁ полностью откроется, а лампа Л₂ - закроется.

Поскольку лампа Л₁ открыта, то потенциал точки а равен нулю (для упрощения изложения сопротивлением лампы пренебрегаем). Поэтому на сетке лампы Л₂ окажется отрицательный потенциал, поддерживающий эту лампу закрытой. Так как лампа Л₂ закрыта, то потенциал точки b примерно равен +u_а. Имеющиеся в схеме напряжение и сопротивления выбираются такими, чтобы на сетке лампы Л₁ был положительный потенциал, благодаря чему лампа остается открытой.

Если лампа Л₁ по каким-либо причинам оказалась открытой, а Л₂ - запертой, то в таком состоянии они останутся неопределенно долгое время.

Триггер может быть также выполнен на полупроводниковых триодах. Одна из таких схем показана на рис. 2.24.

Рис. 2.24. Триггер на полупроводниковых триодах

Предположим, что триод Т₁ открыт, а триод Т₂ - заперт. Тогда, пренебрегая сопротивлением эмиттер-коллекторного перехода триода, можно считать, что потенциал точки а равен +u_эк. В этом случае ток через сопротивления R₃ и R₄ не проходит, напряжение управления триодом Т₂ (u_ЭБ2) равно нулю и триод Т₂ заперт. Поскольку триод T₂ заперт, точка b имеет отрицательный потенциал. Поэтому под воздействием напряжения u_эк по цепи, образованной сопротивлениями R₂, R₁, R₆, проходит ток (i₁), обозначенный на рис. 2.24 сплошными стрелками. Благодаря этому напряжение управления триодом Т₁ равно u_ЭБ1 = i₁R₂. Сопротивления R₂, R₁ и R₆ рассчитываются так, чтобы при этом напряжении триод Т₁ был полностью открыт.

Триод Т₁ будет открыт, а триод Т₂ - закрыт до тех пор, пока на вход А не будет подано переключающее напряжение, равное или большее u_ЭБ1. Как следует из схемы рис. 2.24, в этом случае триод T₁ запирается, точка а получает отрицательный потенциал и в цепи, образованной сопротивлениями R₄, R₃, R₅, возникает ток (i₂), обозначенный прерывистыми стрелками. В этом случае триод T₂, поскольку в его цепи управления появилось положительное напряжение u_ЭБ2 = i₂R₄, открывается.

Если теперь отключить напряжение со входа А, то триоды останутся в том же состоянии: Т₁ - закрыт, а Т₂ - открыт. Это произойдет потому, что теперь потенциал точки b равен +u_эк. Следовательно, напряжение управления на триоде Т₁ (u_ЭБ1) равно нулю, и он заперт. С другой стороны, благодаря тому, что точка а имеет отрицательный потенциал, по сопротивлению R₄ проходит ток, создавая напряжение u_ЭБ2, отпирающее триод Т₂.

Если теперь вновь включить переключающее напряжение, но уже на другой вход схемы (В), то триггер вернется в первоначальное состояние, т. е. триод Т₁ будет вновь открыт, а триод Т₂ - заперт.

Таким образом, при каждом включении внешнего сигнала на вход А триггер переходит из одного устойчивого состояния в другое и на выходе схемы (С) появляется единица. Эта единица "стирается" подачей сигнала на вход В.

Благодаря этому триггер широко используется в системах автоматического управления как элемент памяти и в качестве бесконтактного реле (переключающего элемента).

Следует отметить, что триггер не является независимым логическим элементом. Он может быть построен при помощи логических элементов "ИЛИ" и "НЕ".

Рассмотрим схему, показанную на рис. 2.25. Предположим, что на выходе схемы (С) имеется единица, а сигналы на входах (А и В) отсутствуют.

Благодаря наличию цепи обратной связи эта единица будет подана на вход элемента "ИЛИ₁". Легко проследить (рис. 2.25), что подача единицы на вход элемента "ИЛИ₁" приводит к тому, что на входе элемента "НЕ₂" будет нуль. Благодаря этому единица на выходе схемы будет находиться неопределенно долго. Иначе говоря, схема "помнит" единицу.

Рис. 2.25. Схема триггера, выполненная на логических элементах 'ИЛИ' и 'НЕ'

Подадим теперь сигнал на вход В. Это приведет к тому, что на входе элемента "НЕ₂" также появится единица. Поэтому на выходе схемы (С) единица будет заменена нулем. В этом случае говорят, что сигнал В "стер" информацию, записанную в элементе памяти.

Рассмотрим, что произойдет после того, как сигнал В будет отключен. На выходе имеется нуль. Этот нуль через цепь обратной связи подается на вход элемента "ИЛИ₁". Нетрудно увидеть, что в этом случае на входе элемента "НЕ₂" будет единица. Следовательно, после снятия сигнала В на выходе схемы останется нуль.

Подача сигнала на вход А позволяет вновь записать единицу на выходе схемы (С). Действительно, если на вход А подать единицу, то на выходе схемы также появится единица. После снятия сигнала А единица на выходе останется. В этом случае говорят, что схема "запомнила" единицу.

Элемент памяти условно обозначается прямоугольником, на котором написана буква "П" (рис. 2.26). При подаче сигнала на вход А сигнал запоминается. Включение сигнала на вход В осуществляет стирание единицы, имеющейся на выходе.

Рис. 2.26. Схематическое изображение элемента памяти

В качестве элементов памяти кроме триггеров могут быть использованы также электростатистические, магнитные и электромеханические элементы.