Логических устройствах

Преобразовательные устройства осуществляют преобразование напряжения и тока источника энергии в напряжение и ток, необходимые приемнику энергии. Выпрямительные устройства служат для преобразования синусоидальных напряжений и токов в постоянные. Обратное преобразование реализуют инверторы, а изменение значений постоянного напряжения и частоты синусоидального тока - преобразователи напряжения и частоты. Преобразовательные устройства широко применяются в электроприводе, устройствах электросварки, электротермии и т. д. В усилительных устройствах те или иные параметры сигналов увеличиваются до значений, необходимых для работы исполнительных органов. При помощи импульсных и логических устройств создают различные системы управления. Первые обеспечивают необходимую временную программу, а вторые — необходимую логическую программу совместной работы отдельных частей объекта управления.

АРИФМЕТИЧЕСКО-ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

7.6. Устройства для выполнения логических операций . . . 192

Цилиндрические магнитные домены (ЦМД), физика образования которых была изложена в § 1.4, используют для создания как запоминающих, так и логических устройств. При этом значению «1» соответствует наличие домена в определенной точке информационной среды, а значению «О» — его отсутствие. Известны способы, позволяющие генерировать и аннигилировать (разрушать) ЦМД, реверсивно перемещать их в двух направлениях, фиксировать

Противоречия, возникающие из-за различия между быстродействием запоминающих и арифметико-логических устройств, со временем не только не уменьшаются, но даже увеличиваются. С одной стороны, это связано с достижением очень больших, почти предельных для кремниевой технологии частотных характеристик схем АУ, а с другой — с растущими все время требованиями к объему ОЗУ, особенно связанными с созданием не только вычислительных, но и информационно-вычислительных систем, оперирующих с объемом данных в десятки и сотни гигабайт (Гбайт). Наконец, ЗУ с временем выборки 0,5—2,0 мкс уже не удовлетворяют требованиям ОЗУ для сверхпроизводительных ЭВМ, но они технологичны в производстве, дешевы и надежны в эксплуатации. Поэтому есть смысл оставить такие ЗУ в ЭВМ, а общей тенденцией остается дальнейшее развитие иерархической многоуровневой системы ЗУ с обменом данных в соседних уровнях ЗУ, не зависящим от работы ЗУ других уровней. Рассмотрим ЗУ следующих уровней.

Элементная база, специально разработанная для быстродействующих логических устройств БЭСМ-6, основывалась на применении транзисторного парафаз-ного усилителя с диодной логикой на входе. На этой базовой схеме строились логические ячейки И — ИЛИ (вентиль), И — ИЛИ — И, а также другие, более сложные, но практически укладывающиеся по времени переключения в стандартный такт машины. Частота тактирующих сигналов в БЭСМ-6 принята в 10 МГц.

В зависимости от конкретных устройств в них используют ферриты в виде поликристаллов, монокристаллов и .монокристаллических тонких пленок. Ферриты являются основой таких важных приборов СВЧ техники, как фазовращатели, вентили, циркуляторы, умножители частоты. Ферритовые сердечники и антенны широко используются в радио- и телевизионной аппаратуре. Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса применяются для изготовления магнитных лент и стали важнейшими элементами запоминающих и логических устройств ЭВМ.

Наибольшее применение среди ферритов с ППГ имеют ферриты магний-марганцевой системы, а также содержащие литий, так как обладают высокой температурной стабильностью электромагнитных параметров. Широкое использование ферритов с ППГ в качестве запоминающих и логических устройств ЭВМ объясняется их высокой надежностью, практически неограниченным сроком службы и сохранением записанной информации после отключения источников питания. В качестве запоминающих устройств (ЗУ) в ЭВМ служат такие магнитные элементы на основе ферритов с ППГ, как чис-

Существует большое разнообразие типов логических устройств, выполняющих различные функции; в них сочетаются полупроводниковые диоды, транзисторы и ферромагнитные приборы. Изучение этих устройств относится к области специальных дисциплин современной автоматики и вычислительной техники.

возможность выполнения в одной БИС целых функциональных блоков ЭВМ, например микропроцессоров, блоков памяти, арифметико-логических устройств;

Интегральная инжекционная логика (И2Л) является дальнейшим развитием логических устройств на базе биполярных транзисторов ( 3.8). Особенностью ее является совмещение коллекторной области инжек-ционной части (транзистор Т1) с базовой областью переключающего транзистора Т2 и базы инжектора — с эмиттером переключающей части схемы. Оба транзистора (Т1, включающий области рг — пх — pz, и Т2, включающий области пг — /?2 — п2) могут быть изго-

Группы идентичных маломощных диодов часто выпускаются в виде диодных матриц и диодных сборок. В диодных матрицах диоды присоединены к одному общему выводу, что облегчает их использование в логических устройствах и дешифраторах, в диодных сборках применяются параллельное, последовательное, мостовое и другие соединения.

Импульсные диоды предназначены для работы в режиме переключения и находят широкое применение для целей преобразования сигналов (в ключевых логических устройствах, в детекторах-видеосигналов и т. д.). Диоды, работающие в импульсных схемах, должны обладать хорошими высокочастотными свойствами и минимальной импульсной длительностью переходных процессов. В быстродействующих импульсных схемах время переключения составляет 1 икс и менее.

На 9.13 показаны электрические схемы некоторых других типов оптоэлектронных микросхем. Ключевая микросхема ( 9.13, а) включает в себя быстродействующую диодную оптоэлектронную пару, согласованную с монолитным кремниевым усилителем. Она предназначена для замены трансформаторных и релейных связей в логических устройствах ЭВМ и дискретной автоматики. Аналоговый ключ ( 9.13, б) относится к линей-

Обычно в магнитных переключающих и логических устройствах находят применение ферритовые сердечники с Нс = 0,2 ч- 0,4 А/см типов 0,2 ВТ; 0,3 ВТ; 0,37 ВТ; 0,44 ВТ; в случае невысоких требований к температурной стабильности можно применять сердечники с более узкой петлей гистерезиса (Яс<0,2 А/см), например типов 0,27 ВТ; 1,16 ВТ; 0,12 ВТ. При высоких требованиях к температуркой стабильности перспективными являются микронные ленточные сердечники из сплавов 79НМ и 77НМД, которые могут рабо-

Импульсные элементы находят ограниченное применение в логических устройствах ЦВМ в силу их недостатков, которые будут рассмотрены ниже. Импульсно-пот тенциальные элементы достаточно широко применяются в устройствах ЦВМ при построении схем с использованием дискретных радиокомпонентов, таких как транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, трансформаторы и т. п. Потенциальные элементы также применяются при выполнении схем на дискретных радиокомпонентах, но наиболее широко (в силу ряда обстоятельств, определяемых в основном технологическими причинами) они используются в микроэлектронных системах логических элементов.

2. В логических устройствах и устройствах, применяемых в вычислительной технике, используют элементы, имеющие разветвленные магнитные цепи, выполненные из феррита с почти прямоугольной петлей гистерезиса (трансфлюксоры, биаксы, леддики и др.).

В отличие от схем, рассмотренных в гл. 3, в цифровых и логических устройствах нас интересуют не физические параметры электрических импульсов, а лишь их логическое значение, т. е, наличие потенциала (Д = 1) или его отсутствие (Л=0). Эта особенность обусловливает специфику методов анализа и синтеза логических и цифровых устройств, основанных па логической алгебре. Поэтому при изучения цифровых и логических устройств мы не столько продолжаем знакомство с импульсной техникой, сколько входим в мир новых понятий, которые порой весьма далеко отстоят от электротехнических. Не будем все же забывать, что речь идет об электрических цепях с полупроводниковыми элементами и основные положения, рассмотренные нами в гл. 2 и 3, сохраняют свою силу и при работе цифровых и логических устройств.

§ 4.1. Понятие о комбинационных логических устройствах

Типовые элементы логических устройств служат основой для создания цифровых вычислительных машин и автоматов дискретного действия. В логических устройствах сигнал на входе и выходе каскада является двоичным, бинарным. Он может принимать только два значения — логического нуля «О» и логической единицы «1» (см. § 1.2). Значения «О» и «1» являются символическими (условными) и не соответствуют числовым значениям напряжения, выражаемым в вольтах. Например, при использовании выходного напряжения ключевого каскада уровнем логического «О» может служить напряжение на коллекторе насыщенного транзистора f/KH, уровнем логической «1» — напряжение на коллекторе запертого транзистора Е (или наоборот, в зависимости от того, какими символами предварительно условились обозначать уровни f/цн и Е). Входные сигналы логических каскадов обозначают буквами Xi, Х2, ..., Хп, где п — число входов логического каскада. Напряжение на каждом входе является бинарным; выходной сигнал логических каскадов обозначают буквой Y. В общем случае логический каскад может иметь несколько выходов; если выходов, например, два, то будем обозначать их буквами Р и Q.

Выполняется эта операция над одной переменной X. Таблица истинности для этой операции соответствует табл. 4.3. Таким образом, Т = 0, 0=1. Условное обозначение устройства, выполняющего данную операцию, представлено на 4.5. Здесь и в более сложных логических устройствах

Для использования в логических устройствах наиболее пригодными оказались полевые транзисторы с индуцированным каналом. Ключевые каскады на таких транзисторах можно соединять непосредственно, подключая выход одного каскада к входу другого без каких-либо элементов связи, что позволяет существенно уменьшить число элементов логического устройства. Используя несколько полевых транзисторов, соединенных стоками и имеющих в цепи стоков общую нагрузку на основе 3.102 можно получить логический элемент ИЛИ — НЕ. Появление единичного включающего сигнала на затворе любого из полевых транзисторов вызовет включение этого транзистора и появление нулевого уровня напряжений на выходе. Можно сразу увидеть недостатки такого простейшего варианта построения логической схемы ИЛИ — НЕ на полевых транзисторах.