В некоторых случаях функции электической схемы можно представить с помощью логических операторов Булевой алгебры. Тогда говорят, что схема цифровая, т.е. подчиняется законам, хорошо иллюстрированным логическими операциями — инверсии, логического сложения, конъюнкции, исключающего «ИЛИ» и т.п. Первым исследовал эти законы Клод Шеннон в 1938 г. на примере электрических цепей с ключами. Впрочем, каждому из нас по силам придумать пример, иллюстрирующий физические явления, подчиняющиеся законам формальной логики.
Одной из самых распространенных аналогий является управление водопроводными кранами. Рассмотрим некоторые примеры из этой области, принимая во внимание, что по электрическим схемам тоже «течет ток».
Рис 1. Вентильные схемы работы логических элементов
Во времена первых компьютеров в ходу была диодная логика, по принципу действия в чем-то схожая с работой водопроводных вентилей. Сегодня логические схемы реализуются интегральными микросхемами с высокой плотностью компоновки полупроводниковых элементов, но иногда полезно вспомнить, как формируется один логический элемент с использованием нескольких диодов.
Подключение по схеме «ИЛИ»
Практическую пользу схемы «ИЛИ» трудно переоценить: существует множество схем питания, использующих логику двух входов с диодной коммутацией. Если на одном из входов или на обеих сразу высокий логический уровень, диод (диоды) проводит ток, обеспечивая на выходе Y логическую единицу.
Рис 2. Логический элемент «ИЛИ», выполненный на двух диодах и подтягивающем резисторе
В логических элементах, основанных на диодной логике возможны состояния, при которых все диоды закрыты: для приведенной схемы «ИЛИ» это состояние, когда на входах A и B присутствует низкий уровень либо они не подключены. В этом случае, элемент «ИЛИ» должен выдавать на выход уровень логического нуля, что и обеспечивается резистором, соединяющим выход с общим проводом.
Подключение по схеме «И»
Диодный элемент «И» состоит из двух входов и выхода (Y). На вход диодной схемы может подаваться логическая единица (ей соответствует высокий уровень сигнала) или логический ноль — коммутация на общий провод («земля»). Замкнутые ключи схемы формируют ноль на выходе. Единицу можно получить только в случае, если не нажат ни один из них: высокий логический уровень на обоих входах дает высокий логический уровень на выходе.
Рис 3. Логический элемент «И», выполненный на двух диодах и подтягивающем резисторе
Для приведенной схемы диодного элемента «И» закрытое состояние обоих диодов возможно при наличии высокого уровня на обоих входах. Аналогичный результат, отсутствие тока через диоды, будет иметь место когда ключи не замкнуты
Если подтягивающие резисторы не устанавливать
Если в схеме логического «ИЛИ» все входные диоды отключены (Рис 2.а) либо в схеме логического «И» все входные диоды отключены (Рис 3.а), на выходе будет так называемое Z-состояние — состояние высокого сопротивления, несущее неопределенность. Его восприятие зависит от схемотехники входных цепей, подключенных к выходу нашего логического элемента. Не исключено, что схема сохранит работоспособность и без подтягивающего резистора, если такой резистор (в явном виде или в виде паразитных цепей утечки) имеется во входной цепи следующего каскада. Рассчитывать на такой «подарок» не следует, поэтому неопределенность устраняется подключением терминирующего резистора.
Выбор номинала для подтягивающего резистора является компромиссом: при низком сопротивлении сигнал будет «просаживаться», при высоком — внешние факторы, такие как паразитные токи утечек, окажут на работу элемента существенное влияние, и требуемый логический уровень не будет гарантирован. Чтобы избежать неопределенности, формированием логического нуля следует считать соединение входа с общим проводом, логической единицы — соединение с плюсом источника питания, а неподключенного состояния следует избегать. Для этого и нужны подтягивающие резисторы. Как видим, приведенные выше схемы на основе кнопок нарушают правила терминации, опираясь на частные случаи и рассчитывая на предсказуемую реакцию диодной логики в неподключенном состоянии (при разомкнутой кнопке).
Вентили на полевых транзисторах
Для построения сложных схем требуются элементы, способные обеспечить развязку между управляющей и ведомой цепями. В качестве таких элементов используются транзисторы. Наиболее продуктивной для логических схем оказалась CMOS-технологиях их изготовления. В качестве основы для этих транзисторов используется комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, что и определило название всего семейства.
Рис 4. N-канальный транзистор закрыт, когда потенциал на затворе равен истоковому
В работе N-канального СMOS-транзистора используется 5-вольтовая логика: ключ на его основе окажется закрытым, если на затвор прибора подать напряжение низкого уровня и открывается при подаче +5V. Напряжение на затворе управляет проводимостью между стоком и истоком «полевика», и этот факт разработчиком схемы может использоваться для реализации заданных возможностей.
Рис 5. N-канальный транзистор откроется, если на затвор подать положительный потенциал
Стоит только изменить уровень напряжения на затворе транзистора, и он откроется, переключаясь в проводимое состояние. Если нулевой уровень запирает логическую схему, то перевести ее в противоположное (открытое) состояние можно только подав относительно истока положительное напряжение. Его уровень должен превышать определенный барьер — threshold voltage. Конструкция транзисторов СMOS-логики такова, что порог срабатывания, как правило, выше 1,5 вольта.
Примечание. Если быть предельно точным, то для надежной работы схемы переключения требуется, чтобы напряжение на затворе превышало коммутируемое напряжение. Именно поэтому в импульсных регуляторах, где ШИМ-контроллер питается от +12V и коммутируемое напряжение равно +12V применяется Boost-цепочка, формирующая напряжение в пределах 20…24V для питания затворов.
