Токовый пороговый логический элемент прямого циклического сдвига
Владельцы патента RU 2693639:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образо-вания "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и аналоговой микроэлектроники. Технический результат заключается в создании токового порогового логического элемента, обеспечивающего циклический сдвиг троичной входной логической переменной (х1), в котором внутреннее преобразование информации производится в многозначной токовой форме сигналов. Технический результат достигается за счет токового порогового логического элемента прямого циклического сдвига, содержащего входные транзисторы, источники напряжения смещения, источники опорного тока, токовые зеркала, шины источника питания. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.
Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики, связи и может использоваться в различных цифровых структурах и системах автоматического управления, передачи цифровой информации. Техническим результатом является создание порогового логического элемента, обеспечивающего циклический сдвиг троичной входной логической переменной (x1), в котором внутреннее преобразование информации производится в многозначной токовой форме сигналов, что позволяет повысить быстродействие устройств преобразования информации. Устройство содержит три токовых зеркала, три источника опорного тока, три источника напряжения смещения, шесть транзисторов.
В различных аналого-цифровых вычислительных и управляющих устройствах широко используются транзисторные каскады преобразования входных логических переменных (токов), реализованные на основе токовых зеркал [1-13]. Данные функциональные узлы используются, например, во входных каскадах операционных преобразователей сигналов с так называемой «токовой отрицательной обратной связью» [1-13], а также в качестве самостоятельных нелинейных преобразователей входных токов без цепей обратной связи [6], реализующих функцию логической обработки входных токовых переменных.
В работе [14], а также монографиях соавтора настоящей заявки [15-16] показано, что булева алгебра является частным случаем более общей линейной алгебры, практическая реализация которой в структуре вычислительных и логических устройств автоматики нового поколения требует создания специальной элементной базы, реализуемой на основе логики с многозначным внутренним представлением сигналов, в которой эквивалентом стандартного логического сигнала является квант тока. Заявляемое устройство относится к этому типу логических элементов.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является патент RU 2547225 («Многозначный логический элемент циклического сдвига», МПК H03K 19/082, 2015г.). Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы с объединенными базами, которые подключены к первому 5 источнику напряжения смещения, третий 6 и четвертый 7 входные транзисторы другого типа проводимости с объединенными базами, которые подключены ко второму 8 источнику напряжения смещения, причем эмиттеры первого 3 и третьего 6 входных транзисторов объединены, эмиттеры второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов связаны друг с другом, первый 9 источник опорного тока, первое 10 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, выход первого 10 токового зеркала подключен к объединённым эмиттерам второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов, второе 12 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, третье 13 токовое зеркало, согласованное со второй 14 шиной источника питания, вход которого соединен со входом 1 устройства, причём первый 15 выход третьего 13 токового зеркала подключен к объединенным эмиттерам первого 3 и третьего 6 входных транзисторов и через второй 16 источник опорного тока связан с первой 11 шиной источника питания, второй 17 выход третьего 13 токового зеркала подключен к объединенным эмиттерам второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов, коллекторы первого 3 и второго 4 входных транзисторов связаны со второй 14 шиной источника питания, выход второго 12 токового зеркала связан с выходом 2 устройства, коллектор четвертого 7 входного транзистора подключен ко входу второго 12 токового зеркала.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что он не реализует пороговую функцию прямого циклического сдвига троичной входной переменной (x1), соответствующей многоуровневым значениям входного тока Iin. Это не позволяет на его основе создать полный базис средств вычислительной техники, функционирующих на принципах преобразования многозначных токовых сигналов. В первую очередь это связано с тем, что известная схема имеет погрешности преобразования сигналов, происходящие на каждой операции, эти погрешности неизбежно суммируются в выходном сигнале и могут приводить к заметным общим отклонениям от уровней опорных сигналов. Применение пороговых функций и соответствующих им пороговых элементов, кроме реализации заданной логической функции, обеспечивает масштабирование и нормализацию уровней выходных сигналов и тем самым устраняет все погрешности сигналов, возникающие до порогового элемента.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании токового порогового логического элемента, обеспечивающего циклический сдвиг троичной входной логической переменной (x1), в котором внутреннее преобразование информации производится в многозначной токовой форме сигналов. В конечном итоге это позволяет повысить быстродействие устройств преобразования информации и создать элементную базу вычислительных устройств, работающих на принципах многозначной линейной алгебры [15-16].
Поставленная задача достигается тем, что в схеме фиг.1, содержащей вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы с объединенными базами, которые подключены к первому 5 источнику напряжения смещения, третий 6 и четвертый 7 входные транзисторы другого типа проводимости с объединенными базами, которые подключены ко второму 8 источнику напряжения смещения, причем эмиттеры первого 3 и третьего 6 входных транзисторов объединены, эмиттеры второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов связаны друг с другом, первый 9 источник опорного тока, первое 10 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, выход первого 10 токового зеркала подключен к объединённым эмиттерам второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов, второе 12 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, третье 13 токовое зеркало, согласованное со второй 14 шиной источника питания, вход которого соединен со входом 1 устройства, причём первый 15 выход третьего 13 токового зеркала подключен к объединенным эмиттерам первого 3 и третьего 6 входных транзисторов и через второй 16 источник опорного тока связан с первой 11 шиной источника питания, второй 17 выход третьего 13 токового зеркала подключен к объединенным эмиттерам второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов, коллекторы первого 3 и второго 4 входных транзисторов связаны со второй 14 шиной источника питания, выход второго 12 токового зеркала связан с выходом 2 устройства, коллектор четвертого 7 входного транзистора подключен ко входу второго 12 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введены дополнительный 18 источник опорного тока, первый 19 и второй 20 дополнительные транзисторы, дополнительный 21 источник напряжения смещения, причём коллектор третьего 6 входного транзистора подключен к первой 11 шине источника питания, дополнительный 18 источник опорного тока включен между входом третьего 13 токового зеркала и первой 11 шиной источника питания, объединённые эмиттеры первого 19 и второго 20 дополнительных транзисторов связаны со второй 14 шиной источника питания через первый 9 источник опорного тока, коллектор первого 19 дополнительного транзистора связан с первой 11 шиной источника питания, коллектор второго 20 дополнительного транзистора связан с входом первого 10 токового зеркала, база первого 19 дополнительного транзистора связана с объединёнными эмиттерами первого 3 и третьего 6 входных транзисторов, база второго 20 дополнительного транзистора подключена к дополнительному 21 источнику напряжения смещения.
На чертеже фиг. 1 показана схема прототипа, а на чертеже фиг. 2 –схема заявляемого токового порогового логического элемента прямого циклического сдвига на биполярных транзисторах в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого токового порогового логического элемента прямого циклического сдвига на полевых транзисторах в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 4 показана схема заявляемого устройства фиг. 3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях полевых транзисторов XB06.
На чертеже фиг. 5 приведены осциллограммы входных и выходных сигналов схемы заявляемого токового порогового логического элемента прямого циклического сдвига фиг. 4.
Токовый пороговый логический элемент прямого циклического сдвига фиг.2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы с объединенными базами, которые подключены к первому 5 источнику напряжения смещения, третий 6 и четвертый 7 входные транзисторы другого типа проводимости с объединенными базами, которые подключены ко второму 8 источнику напряжения смещения, причем эмиттеры первого 3 и третьего 6 входных транзисторов объединены, эмиттеры второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов связаны друг с другом, первый 9 источник опорного тока, первое 10 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, выход первого 10 токового зеркала подключен к объединённым эмиттерам второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов, второе 12 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, третье 13 токовое зеркало, согласованное со второй 14 шиной источника питания, вход которого соединен со входом 1 устройства, причём первый 15 выход третьего 13 токового зеркала подключен к объединенным эмиттерам первого 3 и третьего 6 входных транзисторов и через второй 16 источник опорного тока связан с первой 11 шиной источника питания, второй 17 выход третьего 13 токового зеркала подключен к объединенным эмиттерам второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов, коллекторы первого 3 и второго 4 входных транзисторов связаны со второй 14 шиной источника питания, выход второго 12 токового зеркала связан с выходом 2 устройства, коллектор четвертого 7 входного транзистора подключен ко входу второго 12 токового зеркала. В схему введены дополнительный 18 источник опорного тока, первый 19 и второй 20 дополнительные транзисторы, дополнительный 21 источник напряжения смещения, причём коллектор третьего 6 входного транзистора подключен к первой 11 шине источника питания, дополнительный 18 источник опорного тока включен между входом третьего 13 токового зеркала и первой 11 шиной источника питания, объединённые эмиттеры первого 19 и второго 20 дополнительных транзисторов связаны со второй 14 шиной источника питания через первый 9 источник опорного тока, коллектор первого 19 дополнительного транзистора связан с первой 11 шиной источника питания, коллектор второго 20 дополнительного транзистора связан с входом первого 10 токового зеркала, база первого 19 дополнительного транзистора связана с объединёнными эмиттерами первого 3 и третьего 6 входных транзисторов, база второго 20 дополнительного транзистора подключена к дополнительному 21 источнику напряжения смещения.
Кроме этого, на чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, в качестве первого 3, второго 4, третьего 6 и четвертого 7 входных транзисторов, а также первого 19 и второго 20 дополнительных транзисторов используются полевые транзисторы, причём исток каждого из полевых транзисторов соответствует эмиттеру, затвор – базе, а сток – коллектору биполярного транзистора [17].
Рассмотрим работу токового порогового логического элемента прямого циклического сдвига, представленного на чертеже фиг. 2, который выполняет операцию циклического сдвига с применением порогового элемента. Операции преобразования сигналов могут быть записаны в виде:
y=x+1-3((x+1)>2,5). (1)
Этому выражению соответствует следующая таблица истинности:
| x | 0 | 1 | 2 |
| y | 1 | 2 | 0 |
Входная переменная «x» в виде кванта втекающего тока поступает на вход 1 устройства и далее – на вход третьего 13 токового зеркала, где с ней суммируется квант втекающего тока дополнительного 18 источника опорного тока, т.е. реализуется суммирование входной переменной с единицей.
Слагаемое 3((x+1)>2,5) реализуется следующим образом.
Из кванта вытекающего тока с первого 15 выхода третьего 13 токового зеркала вычитается 2,5 кванта втекающего тока второго 16 источника опорного тока. Разностный ток поступает на объединенные эмиттеры первого 3 и третьего 6 входных транзисторов, а также в базу первого 19 дополнительного транзистора. Режимы работы первого 3 и третьего 6 входных транзисторов задаются значениями напряжений первого 5 и второго 8 источников напряжения смещения и обеспечивают предотвращение насыщения транзисторов второго 16 источника опорного тока. Первый 19 и второй 20 дополнительные транзисторы образуют дифференциальный каскад (ДК), переключение коллекторных токов этих транзисторов определяется сигналом, поступающим на базу первого 19 дополнительного транзистора. ДК в данном случае выполняет функции порогового элемента, выполняя сравнение переменной x+1 c пороговым уровнем 2,5. Выбор такого порогового уровня обеспечивает независимость результатов преобразования сигналов от погрешностей преобразования в пределах 0,5 кванта тока I0. Разностный сигнал первого 15 выхода третьего 13 токового зеркала и второго 16 источника опорного тока передаётся в базу первого 19 дополнительного транзистора и управляет переключением утроенного вытекающего тока первого 9 источника опорного тока в ДК. При положительной разности сигналов x-2,5 ток первого 9 источника опорного тока через коллектор второго 20 дополнительного транзистора в виде утроенного кванта тока подается на первое 10 токовое зеркало, где преобразуется в равный ему втекающий ток.
Реализация алгебраического суммирования слагаемых в соответствии с приведенным выше выражением производится монтажным объединением вытекающего тока со второго 17 выхода третьего 13 токового зеркала и втекающего тока с выхода первого 10 токового зеркала. Разностный ток поступает на объединенные эмиттеры второго 4 и четвертого 7 входных транзисторов. Режимы работы этих транзисторов задаются значениями напряжений первого 5 и второго 8 источников напряжения смещения и обеспечивают предотвращение насыщения транзисторов второго 12 токового зеркала. Разностный сигнал с коллектора четвертого 7 входного транзистора в виде сигнала вытекающего тока подается на второе 12 токовое зеркало, где преобразуется в равный ему сигнал втекающего тока и подается на выход 2 устройства.
В схеме на фиг. 3 двухполюсник 22 служит для обнаружения наличия кванта тока в выходной цепи в процессе экспериментальных исследований.
Показанные на фиг. 5 результаты моделирования подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.
Таким образом, рассмотренное схемотехническое решение порогового логического элемента циклического сдвига входной троичной логической переменной (x1) характеризуется многозначным состоянием внутренних сигналов и сигналов на его токовых входах и выходах, что может быть положено в основу вычислительных и управляющих устройств, использующих многозначную линейную алгебру, частным случаем которой является булева алгебра.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент RU 2547225, 2015 г.
2. Патент US 8.159.304, fig. 5, 2012 г.
3. Патент US 5.977.829, fig.1, 1999 г.
4. Патент US 5.789.982, fig.2, 1998 г.
5. Патент US 5.140.282, 1992 г.
6. Патент US 6.624.701, fig.4, 2003 г.
7. Патент US 6.529.078, 2003 г.
8. Патент US 5.734.294, 1998 г.
9. Патент US 5.557.220, 1996 г.
10. Патент RU 2319296, 2008 г.
11. Патент RU 2436224, 2011 г.
12. Патент RU 2321157, 2008 г.
13. Патент RU 2383099, 2010 г.
14. Малюгин В.Д. Реализация булевых функций арифметическими полиномами // Автоматика и телемеханика, 1982. №4. С. 84-93.
15. Чернов Н.И. Основы теории логического синтеза цифровых структур над полем вещественных чисел // Монография. - Таганрог: ТРТУ, 2001. - 147 с.
16. Чернов Н.И. Линейный синтез цифровых структур АСОИУ» // Учебное пособие. Таганрог: ТРТУ, 2004 г., 118 с.
17. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ 2014. - с. 126.
1. Токовый пороговый логический элемент прямого циклического сдвига, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) и второй (4) входные транзисторы с объединенными базами, которые подключены к первому (5) источнику напряжения смещения, третий (6) и четвертый (7) входные транзисторы другого типа проводимости с объединенными базами, которые подключены ко второму (8) источнику напряжения смещения, причем эмиттеры первого (3) и третьего (6) входных транзисторов объединены, эмиттеры второго (4) и четвертого (7) входных транзисторов связаны друг с другом, первый (9) источник опорного тока, первое (10) токовое зеркало, согласованное с первой (11) шиной источника питания, выход первого (10) токового зеркала подключен к объединённым эмиттерам второго (4) и четвертого (7) входных транзисторов, второе (12) токовое зеркало, согласованное с первой (11) шиной источника питания, третье (13) токовое зеркало, согласованное со второй (14) шиной источника питания, вход которого соединен со входом (1) устройства, причём первый (15) выход третьего (13) токового зеркала подключен к объединенным эмиттерам первого (3) и третьего (6) входных транзисторов и через второй (16) источник опорного тока связан с первой (11) шиной источника питания, второй (17) выход третьего (13) токового зеркала подключен к объединенным эмиттерам второго (4) и четвертого (7) входных транзисторов, коллекторы первого (3) и второго (4) входных транзисторов связаны со второй (14) шиной источника питания, выход второго (12) токового зеркала связан с выходом (2) устройства, коллектор четвертого (7) входного транзистора подключен ко входу второго (12) токового зеркала, отличающийся тем, что в схему введены дополнительный (18) источник опорного тока, первый (19) и второй (20) дополнительные транзисторы, дополнительный (21) источник напряжения смещения, причём коллектор третьего (6) входного транзистора подключен к первой (11) шине источника питания, дополнительный (18) источник опорного тока включен между входом третьего (13) токового зеркала и первой (11) шиной источника питания, объединённые эмиттеры первого (19) и второго (20) дополнительных транзисторов связаны со второй (14) шиной источника питания через первый (9) источник опорного тока, коллектор первого (19) дополнительного транзистора связан с первой (11) шиной источника питания, коллектор второго (20) дополнительного транзистора связан с входом первого (10) токового зеркала, база первого (19) дополнительного транзистора связана с объединёнными эмиттерами первого (3) и третьего (6) входных транзисторов, база второго (20) дополнительного транзистора подключена к дополнительному (21) источнику напряжения смещения.
2. Токовый пороговый логический элемент прямого циклического сдвига по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого (3), второго (4), третьего (6) и четвертого (7) входных транзисторов, а также первого (19) и второго (20) дополнительных транзисторов используются полевые транзисторы, причём исток каждого из полевых транзисторов соответствует эмиттеру, затвор – базе, а сток – коллектору биполярного транзистора.
