Логическое устройство "и"
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, обеспечивая функцию троичной логики. Технический результат заключается в повышении производительности устройств, унифицированных с микросхемами двоичной логики. Устройство «И» (фиг.3) содержит последовательно соединенные между шинами источников положительного (2) и отрицательного (3) напряжений питания логические элементы (ЛЭ) «И-HE» (12) двоичной логики и ЛЭ «ИЛИ-НЕ» (13), выполненные по КМОП-технологии, входы которых соединены с входными шинами (4, 5), а выходы (15, 16) - соответственно с первым и вторым входами элемента объединения (14), выход которого соединен с нагрузкой (7). Точка соединения выводов питания обоих ЛЭ (12, 13) подключена к общей шине (1). 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 8 табл.
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для разработки микросхем троичной логики, позволяющей повысить производительность устройств, унифицированных с микросхемами двоичной логики.
Известен базовый логический элемент (ЛЭ) двоичной логики «И-НЕ». Наиболее распространенными аналогами являются, например, ЛЭ, выполненные по ТТЛ-технологии [1] - Шило В.Л., Популярные цифровые микросхемы, Челябинск, «Металлургия», 1988. Он содержит (Рис.1.20, с.36 [1]): общую шину, шину источника положительного напряжения питания, входную и выходную шины, четыре резистора, один диод и четыре транзистора, соединенные по схеме ЛЭ «И-НЕ». Этот ЛЭ не может выполнять функцию «И» в троичной логике и обладает повышенным потреблением энергии. За прототип изобретения принят базовый ЛЭ двоичной логики «И-НЕ», выполненный по КМОП-технологии (Рис.2.8, с.200 [1]).
ЛЭ «И-НЕ» (Фиг.1) содержит: общую шину 1, шину 2 источника положительного напряжения, первую 4 и вторую 5 входные шины и четыре МОП-транзистора 8, 9, 10 и 11. Первый 8 и второй 9 транзисторы с каналом р-проводимости, третий 10 и четвертый 11 с каналом n-проводимости. Транзисторы 8 и 9 соединены параллельно и подключены к шине питания 2 с одной стороны и к выходной шине 16 с другой. Транзисторы 10 и 11 соединены последовательно и подключены к выходной шине 16 и общей шине. ЛЭ работает следующим образом. Если на обоих входах присутствуют напряжения высокого уровня, то оба транзистора р-проводимости закрыты, транзисторы n-проводимости открыты и на выходной шине 16 будет напряжение низкого уровня. При всех других комбинациях напряжений на входных шинах один из транзисторов р-проводимости или оба эти транзистора будут открыты, а транзисторы n-проводимости (по одному или оба) закрыты, и на выходной шине будет напряжение высокого уровня. Таким образом, этот элемент выполняет функцию «И» с отрицанием в соответствии с таблицей истинности 1.
| Таблица 1 | ||
| Вход 1 | ||
| Вход 2 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
В двоичной логике используют однополярные сигналы алфавита {0, 1} положительной логики или {0, -1} отрицательной двоичной логики.
В троичной логике используют биполярные сигналы алфавита {-1, 0, 1}.
Функция ЛЭ троичного логики «И» может быть представлена таблицей истинности 2.
| Таблица 2 | |
| И | Вход 1 |
| Вход 2 | 1 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 0-1 |
| 1 | |
| 0 | |
| -1 |
Логические элементы двоичной логики не реализуют такую функцию троичной логики. Техническим результатом изобретения является увеличение производительности устройств логики при их использовании в вычислительной технике, по сравнению с аналогичными устройствами двоичной логики.
Используя ЛЭ «И-НЕ» двоичной логики и ЛЭ «ИЛИ-НЕ» можно реализовать функцию троичной логики «И». На Фиг.2 показана электрическая схема двоичного ЛЭ «ИЛИ-НЕ», выполненного по КМОП-технологии. ЛЭ содержит: общую шину 1, шину 2 источника положительного напряжения, первую 4 и вторую 5 входные шины и четыре МОП-транзистора 8, 9, 10 и 11. Первый 8 и второй 9 транзисторы с каналом р-проводимости, третий 10 и четвертый 11 с каналом n-проводимости. В схеме ЛЭ «ИЛИ-НЕ» (Фиг.2) транзисторы 8 и 9 с каналом р-проводимости соединены последовательно и подключены к шине питания 2 с одной стороны и к выходной шине 15 с другой. Транзисторы 10 и 11 n-проводимости соединены параллельно и подключены к выходной шине 15 и общей шине 1. Этот ЛЭ работает следующим образом. Если на обоих входах присутствуют напряжения низкого уровня, то оба транзистора р-проводимости открыты, транзисторы n-проводимости закрыты и на выходной шине будет напряжение высокого уровня. При всех других комбинациях напряжений на входных шинах один из транзисторов р-проводимости или оба эти транзистора будут закрыты, а транзисторы n-проводимости (по одному или оба) открыты, и на выходной шине будет напряжение низкого уровня. Таким образом, этот элемент выполняет функцию «ИЛИ» с отрицанием в соответствии с таблицей истинности 3.
| Таблица 3 | ||
| Вход 1 | ||
| Вход 2 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 |
Логическое устройство троичной логики «И» (Фиг.3) содержит: общую шину 1, шины положительного 2 и отрицательного 3 напряжений питания, две входные шины 4 и 5, выходную шину 6, нагрузку 7, первый логический элемент «И-НЕ» 12 двоичной положительной логики, выполненный по КМОП-технологии, второй логический элемент «ИЛИ-НЕ» 13 двоичной положительной логики и элемент объединения сигналов 14. Первый ЛЭ «И-НЕ» 12 подключен к шине 2 положительного напряжения питания и к общей шине 1, второй ЛЭ «ИЛИ-НЕ» 13 подключен к общей шине 1 клеммой для подключения питания и к шине 3 отрицательного напряжения питания клеммой для подключения общей шины. Одноименные входы первого и второго ЛЭ соединены между собой и подключены к входным шинам 4 и 5. Выход первого ЛЭ 12 подключен к первому входу элемента объединения сигналов 16, выход второго ЛЭ 13 подключен ко второму входу элемента объединения сигналов 15, а выход элемента объединения сигналов подключен к выходной шине 6 и нагрузке 7.
Первый ЛЭ 12 при не отрицательных сигналах на входах работает так же, как в двоичной логике. На напряжения отрицательной полярности этот элемент реагирует, как на напряжения низкого уровня. Таким образом, при биполярных сигналах на входах ЛЭ 12 работает в соответствии с таблицей истинности 4.
| Таблица 4 | |
| Вход 1 | |
| Вход 2 | 1 0 -1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 |
| 1 | |
| 0 | |
| -1 |
Второй ЛЭ «ИЛИ-НЕ» 13 (Фиг.3) работает следующим образом. Последовательно соединенные транзисторы 8 и 9 с каналом р-проводимости открываются только в том случае, когда одновременно на двух входных шинах 4 и 5 присутствуют высокие уровни отрицательного напряжения. В этом случае параллельно соединенные транзисторы 10 и 11 n-проводимости закрыты, и выход 15 находится под напряжением низкого уровня. Во всех остальных комбинациях напряжений на входных шинах 4 и 5, хотя бы один из транзисторов 8 или 9 закрыт и хотя бы один из транзисторов 10 и 11 открыт, и на выход 15 передается отрицательное напряжение источника питания. Таким образом, при биполярных сигналах на входах ЛЭ 13 работает в соответствии с таблицей истинности 5.
| Таблица 5 | |
| Вход 1 | |
| Вход 2 | 1 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 |
| 1 | |
| 0 | |
| -1 |
Если в качестве элемента объединения 14 использовать суммирующий операционный усилитель, то логические состояния определяются простым суммированием уровней сигналов с выходов первого 16 и второго 15 ЛЭ, в соответствии с таблицей истинности 6.
| Таблица 6 | |
| Вход 1 | |
| Вход 2 | 1 0 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 1 |
| 1 | |
| 0 | |
| -1 |
Суммирующий операционный усилитель - сложное и энергоемкое устройство, поэтому целесообразно вместо него использовать новый ЛЭ «2НЕ» (второе отрицание) троичной логики. Этот элемент может быть выполнен с использованием МОП-транзисторов, как показано на Фиг.4. ЛЭ «2НЕ» содержит: общую шину 1, шины 2 и 3 источников положительного и отрицательного напряжения, два входа 16 и 15, выходную шину 6, нагрузку 7 и четыре МОП-транзистора 8, 9, 10 и 11, соединенных между собой последовательно. Первый 8 и второй 9 транзисторы выполнены с каналом р-проводимости, а третий 10 и четвертый 11 - с каналом n-проводимости. При этом пороговые напряжения транзисторов такие, что каналы первого 8 и четвертого 11 транзисторов закрыты при нулевом напряжении на затворах, а у второго 9 и третьего 10 транзисторов каналы открыты при нулевом напряжении на затворах.
Последовательно соединенные первый 8 и второй 9 транзисторы включены между шиной 2 положительного напряжения питания и выходной шиной 6. Последовательно соединенные третий 10 и четвертый 11 транзисторы включены между выходной шиной 6 и шиной 3 отрицательного напряжения питания. Затворы первого 8 и третьего 10 транзисторов соединены между собой и подключены ко второй входной шине 15, а затворы второго 9 и четвертого 11 транзисторов соединены между собой и подключены к первой входной шине 16. Следует отметить, что первый вход 16 предназначен для приема не отрицательных сигналов, а второй вход 15 - для приема не положительных сигналов.
Это устройство работает следующим образом. Если на первый вход 16 подается напряжение низкого уровня, а на второй вход 15 - отрицательное напряжение высокого уровня, первый транзистор 8 открывается и через открытый второй транзистор 9 положительное напряжение шины 2 передается на выходную шину 6 и выделяется на нагрузке 7. При этом цепь от шины 3 источника отрицательного напряжения к выходной шине 6 разомкнута, так как третий транзистор 10 запирается при отрицательном напряжении на затворе и четвертый транзистор 11 закрыт при низком уровне напряжения на затворе.
Если на первый вход 16 подается положительное напряжение высокого уровня и на второй вход 15 - отрицательное напряжение высокого уровня, то разомкнуты обе цепи: от источника положительного напряжения (шина 2) к выходной шине 6 и от источника отрицательного напряжения (шина 3) к выходной шине 6, так как второй 8 и третий 9 транзисторы закрыты. При этом выходная шина находится под потенциалом общей шины 1 через связь с нагрузкой 7.
Если на первый вход 16 подается положительное напряжение высокого уровня, а на второй вход 15 - напряжение низкого уровня, то четвертый транзистор 11 открывается и через открытый третий транзистор 10 отрицательное напряжение от шины 3 передается на выходную шину 6 и выделяется на нагрузке 7. При этом цепь от шины 2 источника положительного напряжения к выходной шине 6 разомкнута, так как второй транзистор 9 запирается при положительном напряжении на затворе и первый транзистор 8 закрыт при низком уровне напряжения на затворе. ЛЭ троичной логики «2НЕ» работает в соответствии с таблицей истинности 7.
| Таблица 7 | ||
| входы | выход | |
| 0, | -1 | 1 |
| 1, | -1 | 0 |
| 1, | 0 | -1 |
Следует отметить еще одно состояние ЛЭ «ИЛИ-НЕ», когда оба входа находятся при низком уровне напряжений. В этом случае первый и четвертый транзисторы закрыты, и выходная шина находится под потенциалом общей шины из-за связи ее через нагрузку 7. Согласно таблице истинности 8 этого ЛЭ он осуществляет операцию «сложение» с инверсией полярности. В результате такой комбинации мы получаем элемент, который с точностью до знака соответствует операции «И», работает в соответствии с таблицей истинности 8.
| Таблица 8 | |
| И | Вход 1 |
| Вход 2 | 1 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 -1 |
| 1 | |
| 0 | |
| -1 |
Общими элементами прототипа изобретения и устройства являются логический элемент «И-НЕ» положительной двоичной логики, выполненный по КМОП-технологии, общая шина, шина источника положительного напряжения питания, первая и вторая входные шины и выходная шина.
Практически логическое устройство «И» может быть выполнено на ЛЭ «ИЛИ-НЕ» и ЛЭ «И-НЕ» двоичной логики, например, серии 561, выпускаемой промышленностью. Логическое устройство «2НЕ», входящее в состав устройства троичной логики «И», может быть выполнено на транзисторах, выпускаемых промышленностью:
- транзистор 8 - IRF9640;
- транзистор 9 - IRF9510;
- транзистор 10 - IRF120;
- транзистор 11 - IRFP244;
- транзистор 12 - ZVP4424A;
- транзистор 13 - ZVN4424A;
- транзистор 14 - IRF9140;
- транзистор 15 - IRF710.
1. Логическое устройство «И», содержащее логический элемент (ЛЭ) «И-НЕ» положительной двоичной логики, выполненной по КМОП-технологии, общую шину, шину источника положительного напряжения питания, первую и вторую входные шины и выходную шину, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй ЛЭ «ИЛИ-НЕ» двоичной положительной логики, выполненный по КМОП-технологии, элемент объединения сигналов, причем первый ЛЭ «И-НЕ» подключен к шине положительного напряжения питания и к общей шине, а второй ЛЭ «ИЛИ-НЕ» подключен к общей шине клеммой для подключения питания и к шине отрицательного напряжения питания клеммой для подключения общей шины, одноименные входы первого и второго логических элементов соединены между собой и подключены к входным шинам, выход первого логического элемента подключен к первому входу элемента объединения сигналов, выход второго логического элемента подключен ко второму входу элемента объединения сигналов, выход элемента объединения сигналов подключен к выходной шине и нагрузке.
2. Логическое устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент объединения сигналов выполнен на суммирующем операционном усилителе.
3. Логическое устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент объединения сигналов выполняет функцию троичной логики «2НЕ» и содержит первый и второй входы, подключенные к соответствующим выходам первого и второго логических элементов, первый и второй МДП-транзисторы с каналом р-проводимости, третий и четвертый МДП-транзисторы с каналом n-проводимости, причем пороговые напряжения транзисторов такие, что каналы первого и четвертого транзисторов закрыты при нулевом напряжении на затворах, а у второго и третьего транзисторов каналы открыты при нулевом напряжении на затворах, первый и второй транзисторы подключены последовательно между шиной положительного напряжения питания и выходной шиной, третий и четвертый транзисторы подключены последовательно между выходной шиной и шиной отрицательного напряжения питания, затворы первого и третьего транзисторов соединены между собой и подключены ко второму входу, а затворы второго и четвертого транзисторов соединены между собой и подключены к первому входу.
