Диодная логика - Diode logic
Диод логика ( DL ), или диод-резистор логика ( ДРЛ ), является построение булевых логических вентилей из диодов . Диодная логика широко использовалась при создании первых компьютеров, где полупроводниковые диоды могли заменить громоздкие и дорогостоящие активные ламповые элементы. Чаще всего диодная логика используется в интегральных схемах диодно-транзисторной логики (DTL), которые, помимо диодов, включают логику инвертора для обеспечения функции НЕ и восстановления сигнала.
Хотя диодная логика имеет преимущество простоты, отсутствие усилительного каскада в каждом затворе ограничивает ее применение. Не все логические функции могут быть реализованы только с помощью диодной логики; с помощью диодных вентилей можно реализовать только неинвертирующее логическое И и логическое ИЛИ . Если несколько логических вентилей на диодах подключены каскадом, уровни напряжения на каждой ступени значительно изменяются, поэтому логика диодов обычно ограничивается одной ступенью, хотя в специальных конструкциях иногда достигаются двухступенчатые системы.
Упрощение предположений
Для иллюстрации это обсуждение предполагает идеализированные диоды, которые проводят в прямом направлении без падения напряжения и не проводят в обратном направлении. Логический дизайн предполагает два различных уровня сигналов, которые помечены 1 и 0 . Для положительной логики 1 представляет самый положительный уровень, а 0 - самый отрицательный уровень. Для иллюстрации в этом обсуждении положительная логика 1 представлена как +6 вольт, а 0 вольт представляет собой логику 0. В двоичной логике точная величина напряжения сигнала не является критичной, и необходимо только, чтобы состояния 1 и 0 были представлены обнаруживаемыми разными уровни напряжения.
В этих примерах по крайней мере один вход каждого элемента должен быть подключен к уровню напряжения, обеспечивающему определенный уровень логической 1 или логического 0. Если все входы отключены от любого источника возбуждения, выходной сигнал не ограничивается правильным диапазоном напряжения.
Диодные логические вентили
В логических вентилях логические функции выполняются параллельно или последовательно соединенными переключателями (такими как контакты реле или полевые транзисторы с изолированным затвором, такие как CMOS ), управляемые логическими входами или параллельными резисторами или диодами, которые являются пассивными компонентами. Диодная логика реализована с помощью диодов, которые демонстрируют низкий импеданс при прямом смещении и очень высокий импеданс при обратном смещении. Есть два типа диодных логических вентилей - ИЛИ и И. Невозможно построить НЕ (инвертировать) диодные вентили, потому что для функции инвертирования требуется активный компонент, такой как транзистор.
Логический вентиль ИЛИ
На изображении справа показана диодная схема ИЛИ. Символ диода представляет собой стрелку, показывающую прямое направление тока с низким импедансом. Все диоды имеют входы на анодах, а их катоды соединены вместе для управления выходом. R подключен к выходу с некоторым отрицательным напряжением (-6 вольт), чтобы обеспечить ток смещения для диодов.
Если все входы A, B и C имеют 0 вольт (логический уровень 0), ток, протекающий через R, будет понижать выходное напряжение до тех пор, пока диоды не зафиксируют выход. Поскольку эти диоды считаются идеальными, на выходе фиксируется 0 вольт, что является логическим уровнем 0. Если какой-либо вход переключается на положительное напряжение (логическая 1), ток, протекающий через диод, теперь смещенный в прямом направлении, будет повышать выходное напряжение. , обеспечивая положительное напряжение на выходе, логическую 1. Любое положительное напряжение будет представлять состояние логической 1; суммирование токов через несколько диодов не изменяет логический уровень. Остальные диоды имеют обратное смещение и не проводят ток.
Если любой вход A OR B OR C равен 1, выход будет 1. Только если все входы, A и B и C равны 0, на выходе будет 0. Это определение логического ИЛИ. Таблица истинности справа от изображения показывает выходные данные для всех комбинаций входных данных.
Это можно записать так:
- A ИЛИ B ИЛИ C = ВЫХОД
- или
- A + B + C = ВЫХОД
В булевой алгебре знак плюс (+) используется для обозначения ИЛИ.
R может вернуться к любому отрицательному напряжению. Если R подключен к 0 вольт, у него не будет тока возбуждения для управления следующей схемой; Практические диоды нуждаются в токе смещения. В практической схеме все уровни сигнала, значение R и его обратное напряжение выбираются разработчиком схемы в соответствии с проектными требованиями.
Логический вентиль И
Диод И в основном такой же, как ИЛИ, за исключением того, что он перевернут. Диоды перевернуты, так что катоды подключены к входам, а аноды подключены вместе для обеспечения выхода. R подключен к +12 В для обеспечения тока прямого смещения для диодов и тока для выходного привода.
Если все входы A, B и C имеют положительное напряжение (здесь +6 вольт), ток, протекающий через R, будет подтягивать выход положительным до тех пор, пока диоды не зафиксируют выход до +6 вольт, выходного уровня логической единицы. Если какой-либо вход переключается на 0 вольт (уровень логического 0), ток, протекающий через диод, понижает выходное напряжение до 0 вольт. Остальные диоды будут иметь обратное смещение и не будут проводить ток.
Если вход A, B или C равен 0, выход будет 0. Только если все входы, A И B И C равны 1, на выходе будет 1. Это определение логического И. Таблица истинности справа от изображения показывает выходные данные для всех комбинаций входных данных.
Это можно записать так:
- А И В И С = ВЫХОД
- или
- A × B × C = ВЫХОД
(В булевой алгебре символ умножения обозначает И.)
Подобно диоду ИЛИ, R может вернуться к любому напряжению, которое более положительно, чем логический уровень 1. Если R подключен к напряжению, равному уровню 1, у него не будет тока возбуждения, доступного для управления следующей схемой. Все уровни сигнала, значение R и его обратное напряжение являются вариантами, выбранными проектировщиком схемы для удовлетворения проектных требований.
Отрицательная логика
Назначение 1 и 0 уровням положительного и отрицательного сигнала, соответственно, является выбором разработчика логики, использующего схемы И или ИЛИ. При таком назначении предполагается, что логика положительная. Также вероятно, что назначение может быть обратным, где 1 - отрицательное напряжение, а 0 - положительное напряжение. Это было бы отрицательной логикой. Переключение между положительной и отрицательной логикой обычно используется для достижения более эффективной логической схемы.
В булевой алгебре признано, что положительная логика ИЛИ является отрицательной логикой И. Точно так же положительная логика И является отрицательной логикой ИЛИ.
Эту взаимосвязь можно легко распознать, прочитав приведенное выше описание их работы. В ИЛИ сказано: «Только если все входы, A, B и C равны 0, на выходе будет 0». В отрицательной логике каждый узел при более низком напряжении станет логической 1, что означает утверждение: «Только если все входы, A, B и C равны 1, на выходе будет 1». Это определение функции И.
Аналогично для И было сказано: «Если вход A, B или C равен 0, выход будет 0». В отрицательной логике каждый узел при более низком напряжении станет логической 1, что означает утверждение: «Если вход A OR B OR C равен 1, выход будет равен 1». Это определение функции ИЛИ.
Логическая функция любого расположения диодов может быть установлена только в том случае, если известно представление логических состояний уровнями напряжения.
Диодная логика с настоящими диодами
Приведенные выше описания предполагают идеальный диод с нулевым сопротивлением в прямом направлении и бесконечным сопротивлением в обратном направлении. Разработчики схем должны заботиться о настоящих диодах. Статьи о pn-диоде и менее подробная статья о pn-переходах описывают физику PN-диода. После всего обсуждения электронов, дырок, основных и неосновных носителей заряда и т. Д. Каждое из них сводится к уравнению, которое наиболее непосредственно относится к разработчику схем. Настоящий PN-диод фактически имеет вольт-амперную характеристику, аналогичную кривой справа. Более конкретное определение можно найти в уравнении диода Шокли . Разработчик надежной диодной логической схемы обычно ограничивается тем, что дает спецификация диода, которая часто меньше, чем предполагает уравнение. Обычно спецификация в первую очередь обеспечивает максимальное прямое падение напряжения при одном или нескольких прямых токах и обратном токе утечки. Он также обеспечит максимальное обратное напряжение, ограниченное стабилитроном или лавинным пробоем. Типичные характеристики наихудшего случая показаны ниже как для германиевых, так и для кремниевых PN-диодов.
Германиевый диод:
- Максимальное прямое напряжение при 10 мА = 1 В при температуре от 0 до 85 ° C
- Максимальный ток обратной утечки при 15 В = 100 мкА при 85 ° C
Кремниевый диод:
- Максимальное прямое напряжение при 10 мА = 1 В при температуре от 0 до 125 ° C
- Максимальный ток обратной утечки при 15 В = 1 микроампер при 85 ° C
В эти спецификации обычно включается влияние изменений в производстве компонентов и температуры.
Более реалистично прямое напряжение германия может составлять от 0,25 до 0,4 В, но это часто не указывается. Ток утечки кремния может быть намного ниже, возможно, от 1 до 100 наноампер.
PN-диоды также имеют переходные характеристики, которые могут повлиять на конструкцию. Емкость PN-диода между анодом и катодом обратно пропорциональна обратному напряжению, возрастая по мере приближения к нулю вольт и до прямого смещения. Также существует проблема восстановления, когда ток не будет сразу уменьшаться при переключении с прямого смещения на обратное. В случае диода ИЛИ, если два или более входа находятся на уровне 1, а один переключается на 0, это вызовет сбой или увеличение тока в диодах, которые остаются на уровне 1. Это может вызвать кратковременный провал в выходное напряжение. На практике, если логический вентиль на диоде управляет транзисторным инвертором, как это обычно бывает, а диод и транзистор имеют аналогичную конструкцию, транзистор будет иметь аналогичную емкость коллектора базы, которая усиливается коэффициентом усиления транзистора, поэтому он будет слишком медленным. пройти глюк. Только когда диод имеет гораздо более медленную конструкцию, это вообще может стать проблемой. В одной необычной конструкции были использованы маленькие диодные диски из селена с германиевыми транзисторами. Время восстановления очень медленных селеновых диодов вызвало сбой на выходе инвертора. Это было исправлено путем размещения селенового диода поперек перехода база-эмиттер транзистора, заставляя его «думать», что это селеновый транзистор (если он вообще может быть).
Ранняя диодная логика с транзисторным инвертором
Вплоть до 1952 года IBM производила транзисторы, модифицируя готовые германиевые диоды , после чего у них был собственный завод по производству транзисторов с переходом из сплава в Покипси . В середине 1950-х годов диодная логика была использована в IBM 608, который был первым полностью транзисторным компьютером в мире. На изображении справа показаны две основные логические схемы, используемые на картах 608. Одна карта может содержать четыре двусторонних цепи, три трехсторонних или одну восьмистороннюю. Все входные и выходные сигналы были совместимы. Схемы были способны надежно переключать импульсы длительностью до одной микросекунды.
Разработчики управляющего компьютера D-17B 1962 года максимально использовали диодно-резисторную логику, чтобы минимизировать количество используемых транзисторов.
Реставрация
Цифровая логика, реализованная активными элементами, характеризуется восстановлением сигнала. Истина и ложь или 1 и 0 представлены двумя конкретными уровнями напряжения. Если входы цифрового логического элемента близки к их соответствующим уровням, выход будет ближе или точно равен желаемому уровню. Активные логические вентили могут быть интегрированы в большом количестве, потому что каждый вентиль имеет тенденцию удалять шум на своем входе. Диодные логические вентили реализованы пассивными элементами; Итак, у них есть две проблемы с восстановлением.
- Прямое падение напряжения
- Первая проблема восстановления диодной логики заключается в том, что на диоде с прямым смещением возникает падение напряжения V F около 0,6 В. Это напряжение добавляется или вычитается из входа каждого затвора, так что оно накапливается при каскадном подключении затворов диодов. В логическом элементе ИЛИ V F уменьшает высокий уровень напряжения (логическая 1 ), а в логическом элементе И увеличивает низкий уровень напряжения (логический 0 ). Таким образом, возможное количество логических каскадов зависит от падения напряжения и разницы между высоким и низким напряжениями.
- Источник сопротивления
- Еще одна проблема диодной логики - внутреннее сопротивление источников входного напряжения. Вместе с резистором затвора он составляет делитель напряжения, вызывающий отклонения уровней напряжения. В логическом элементе ИЛИ сопротивление истока снижает уровень высокого напряжения (логическая 1 ), а в вентиле И оно увеличивает низкий уровень напряжения (логический 0 ). В каскадных диодных затворах И-ИЛИ на рисунке справа высокие выходные напряжения И уменьшаются из-за внутренних падений напряжения на подтягивающих сопротивлениях И.
Приложения
Диодные логические вентили используются для построения диодно-транзисторных логических вентилей (DTL) в виде интегральных схем.
Выходы обычных ИС (с дополнительными выходными каскадами привода) никогда не подключаются напрямую, поскольку они действуют как источники напряжения. Однако диоды можно использовать для объединения двух или более цифровых (высокий / низкий) выходов ИС, например счетчика. Это проводное логическое соединение может быть полезным способом создания простых логических функций без использования дополнительных логических вентилей.
Большинство семейств схем имеют совместимые входы и выходы в зависимости от этих уровней сигналов для достижения надежной работы. Добавление диодной логики ухудшит уровень сигнала и приведет к плохому подавлению шума и возможному отказу.
Туннельные диоды
В 1960-е годы использование туннельных диодов в логических схемах было активной темой исследований. По сравнению с транзисторными логическими вентилями того времени туннельный диод предлагал гораздо более высокие скорости. В отличие от других типов диодов, туннельный диод давал возможность усиления сигналов на каждом этапе. Принцип работы логики туннельного диода основан на смещении туннельного диода и подаче тока от входов выше порогового значения для переключения диода между двумя состояниями. Следовательно, логические схемы на туннельных диодах требовали средства для сброса диода после каждой логической операции. Простой туннельный диод ворот предложил небольшую изоляцию между входами и выходами и имел низкий вентилятор в и веере . Более сложные вентили с дополнительными туннельными диодами и источниками питания смещения преодолели некоторые из этих ограничений. Прогресс в быстродействии дискретных и интегральных схем транзисторов и почти односторонний характер транзисторных усилителей обогнал затвор туннельного диода, и он больше не используется в современных компьютерах.