Диодная логика
Диодная логика (или диодно-резисторная логика ) строит И и ИЛИ логические элементы с диодами и резисторами .
Активное устройство ( вакуумные лампы в ранних компьютерах , затем транзисторы в диодно-транзисторной логике ) дополнительно требуется для обеспечения логической инверсии (НЕ) для функциональной полноты и усиления для напряжения восстановления уровня , чего одна диодная логика не может обеспечить.
Поскольку уровни напряжения ослабевают с каждым каскадом диодной логики, несколько каскадов не могут быть легко объединены в каскад, что ограничивает полезность диодной логики. Однако преимуществом диодной логики является использование только дешевых пассивных компонентов .
Фон
[ редактировать ]Логические вентили
[ редактировать ]Логические элементы оценивают булеву алгебру , обычно используя электронные переключатели, управляемые логическими входами, соединенными параллельно или последовательно . Диодная логика может реализовывать только ИЛИ и И, поскольку инверторам (НЕ вентилям) требуется активное устройство.
Логические уровни напряжения
[ редактировать ]Основная статья: Логический уровень § 2-уровневая логика
Двоичная логика использует два различных логических уровня напряжения сигналов , которые можно обозначить как высокий и низкий . В этом обсуждении напряжения, близкие к +5 Вольтам, являются высокими, а напряжения, близкие к 0 Вольт ( земля ), – низкими. Точная величина напряжения не имеет решающего значения при условии, что входы подаются от достаточно мощных источников, так что выходные напряжения находятся в заметно разных диапазонах .
Для с активным высоким или логики положительным уровнем высокий уровень представляет логическую 1 ( истина ), а низкий представляет логический 0 ( ложь ). Однако присвоение логической 1 и логического 0 высокому или низкому уровню является произвольным и меняется на противоположное при активном низком уровне или отрицательной логике, где низкий уровень соответствует логической 1, а высокий уровень соответствует логическому 0. Следующие логические элементы диода работают как в режиме активного высокого уровня , так и в режиме отрицательного уровня . логика active-low , однако реализуемая ими логическая функция различна в зависимости от того, какой уровень напряжения считается активным . Переключение между активным высоким и активным низким обычно используется для достижения более эффективной логической конструкции.
Диодное смещение
[ редактировать ]с прямым смещением Диоды имеют низкий импеданс, соответствующий короткому замыканию с небольшим падением напряжения , тогда как диоды с обратным смещением имеют очень высокий импеданс , соответствующий разомкнутой цепи. диода Стрелка на символе показывает прямосмещенное направление обычного тока .
Диодные логические элементы И и ИЛИ
[ редактировать ]Каждый вход диодного логического элемента подключается через диод, подключенный к общему проводному логическому выходу. В зависимости от уровня напряжения каждого входа и направления диода каждый диод может быть или не быть смещен в прямом направлении. Если какие-либо из них смещены в прямом направлении, общий выходной провод будет иметь одно небольшое прямое падение напряжения на входе диода с прямым смещением.
Если ни один диод не смещен в прямом направлении, то ни один диод не будет обеспечивать ток возбуждения для выходной нагрузки (например, последующего логического каскада). Таким образом, для выхода дополнительно требуется повышающий или понижающий резистор, подключенный к источнику напряжения, чтобы выход мог быстро переключаться. [а] и обеспечивают сильный ток возбуждения, когда ни один диод не смещен в прямом направлении.
Примечание. Следующие схемы имеют два входа для каждого вентиля и, следовательно, используют два диода, но их можно расширить за счет большего количества диодов, чтобы обеспечить больше входов. По крайней мере, один вход каждого вентиля должен быть подключен к достаточно сильному источнику высокого или низкого напряжения. Если все входы отключены от сильного источника, выходное напряжение может выйти за пределы допустимого диапазона напряжения.
Логический вентиль ИЛИ с активным высоким уровнем
[ редактировать ]
Каждый вход подключается к аноду диода. Все катоды подключены к выходу, имеющему подтягивающий резистор.
Если на каком-либо входе высокий уровень, его диод будет смещен в прямом направлении и проводить ток, что приведет к повышению выходного напряжения. [б] .
Если на всех входах низкий уровень, все диоды будут смещены в обратном направлении и ни один из них не будет проводить ток. Понижающий резистор быстро снижает выходное напряжение.
Таким образом, если какой-либо вход имеет высокий уровень, выход будет высоким, но только если все входы низкие, выход будет низким:
| входы | выход | |
|---|---|---|
| Низкий | Низкий | Низкий |
| Низкий | Высокий | Высокий |
| Высокий | Низкий | Высокий |
| Высокий | Высокий | Высокий |
Это соответствует логическому ИЛИ в логике с активным высоким уровнем, а также одновременно логическому И в логике с активным низким уровнем.
Логический вентиль И с активным высоким уровнем
[ редактировать ]
Эта схема повторяет предыдущую схему: диоды перепутаны, так что каждый вход подключен к катоду диода, а все аноды соединены вместе с выходом, который имеет подтягивающий резистор.
Если на каком-либо входе низкий уровень, его диод будет смещен в прямом направлении и будет проводить ток, что приведет к снижению выходного напряжения. [с] .
Если все входы имеют высокий уровень, все диоды будут смещены в обратном направлении и ни один из них не будет проводить ток. Подтягивающий резистор быстро поднимет выходное напряжение до высокого уровня.
Таким образом, если какой-либо вход имеет низкий уровень, выход будет низким, но только если все входы имеют высокий уровень, выход будет высоким:
| входы | выход | |
|---|---|---|
| Низкий | Низкий | Низкий |
| Низкий | Высокий | Низкий |
| Высокий | Низкий | Низкий |
| Высокий | Высокий | Высокий |
Это соответствует логическому И в логике активного высокого уровня, а также одновременно логическому ИЛИ в логике активного низкого уровня.
Реальные соображения по диодам
[ редактировать ]
Для простоты иногда можно предположить, что диоды не имеют падения напряжения или сопротивления при прямом смещении и имеют бесконечное сопротивление при обратном смещении. Но реальные диоды лучше аппроксимируются диодным уравнением Шокли , которое имеет более сложную экспоненциальную зависимость ток-напряжение, называемую диодным законом .
диода Разработчики должны полагаться на спецификацию , которая в первую очередь обеспечивает максимальное падение напряжения в прямом направлении при одном или нескольких прямых токах, обратный ток утечки (или ток насыщения ) и максимальное обратное напряжение, ограниченное стабилитроном или лавинным пробоем . эффекты изменения температуры и процесса Обычно учитываются . Типичные примеры:
- Германиевый диод:
- Максимальное прямое напряжение при 10 мА = 1 В при температуре от 0 до 85 °C. [д]
- Максимальный обратный ток утечки при 15 В = 100 микроампер при 85 °C.
- Кремниевый диод:
- Максимальное прямое напряжение при 10 мА = 1 В при температуре от 0 до 125 °C.
- Максимальный обратный ток утечки при 15 В = 1 микроампер при 85 °C [и]
Переходный процесс
[ редактировать ]Диоды также имеют переходный процесс , который может вызывать беспокойство. Емкость между анодом и катодом обратно пропорциональна обратному напряжению, растет по мере приближения к 0 В и переходит в прямое смещение.
Существует также проблема восстановления : ток диода не будет уменьшаться сразу при переключении с прямого смещения на обратное, поскольку разрядка накопленного заряда занимает конечное время (t rr или время обратного восстановления ). [1] В диодном вентиле ИЛИ, если два или более входов имеют высокий уровень, а один переключается на низкий уровень, проблемы восстановления вызовут кратковременное падение выходного напряжения или увеличение тока в диодах, которые остаются высокими. Если логический элемент диод-транзистор управляет транзисторным инвертором аналогичной конструкции, транзистор будет иметь аналогичную емкость база-коллектор, которая усиливается за счет коэффициента усиления транзистора, поэтому он будет слишком медленно преодолевать выбросы. Но когда диод работает намного медленнее, восстановление станет проблемой:
В одной необычной конструкции селеновых использовались небольшие диски диодов с германиевыми транзисторами. Время восстановления очень медленных селеновых диодов вызвало сбой на выходе инвертора. Это было исправлено путем размещения селенового диода на переходе база-эмиттер транзистора, заставляя его думать, что это селеновый транзистор (если он вообще когда-либо существовал).
Потери напряжения
[ редактировать ]
Активная логика ограничивает выходные напряжения в пределах точного диапазона напряжений при условии, что их входные напряжения находятся в несколько более широком допустимом диапазоне входных напряжений . Такое восстановление уровня позволяет использовать больше каскадных логических каскадов и устраняет шум, облегчая очень крупномасштабную интеграцию .
Однако пассивные диодные логические элементы накапливают следующие потери напряжения при каскадном подключении элементов:
- прямого напряжения V F Падение
- Высокие напряжения, подаваемые на каждый вентиль ИЛИ, уменьшаются на V F ( ~0,6 В в кремнии, ~0,3 В в германии , тогда как низкие напряжения, подаваемые на каждый вентиль И, повышаются на V F. )
- Сопротивление источника
- источника напряжения Выходное сопротивление и подтягивающий/понижающий резистор последующего затвора образуют делитель напряжения , который ослабляет уровни напряжения. Это уменьшает высокие напряжения на вентилях ИЛИ и увеличивает низкие напряжения на вентилях И.
Таким образом, осуществимое количество каскадирования ограничено значением V F и разницей напряжений между высоким и низким напряжением. При использовании специальных конструкций иногда достигаются двухступенчатые системы.
Чтобы компенсировать падение напряжения и обеспечить достаточный ток для управления нагрузкой следующей цепи (цепей), подтягивающие резисторы могут быть подключены к источнику питания, уровень которого выше номинального высокого напряжения, и аналогичным образом могут быть подключены подтягивающие резисторы. к источнику питания ниже номинального низкого напряжения.
Приложения
[ редактировать ]
Исторически диодная логика широко использовалась при создании первых компьютеров , поскольку полупроводниковые диоды могли заменить громоздкие и дорогостоящие активные электронные лампы . Изобретение транзистора позволило транзисторам заменить лампы в качестве активного элемента в диодно-транзисторной логике . Поскольку ранние транзисторы не были надежными, Д-17Б компьютер наведения ракеты , например, в основном использовал диодную логику и использовал транзисторы только при необходимости. Транзисторы быстро почти полностью заменили диодную логику. Однако диодная логика все еще находит современное применение. [ нужна ссылка ]
Дешевая пассивная логика с активных выходов
[ редактировать ]обычных микросхем с низким импедансом Двухтактные выходы не следует подключать напрямую к внешней схеме, поскольку они могут создать короткое замыкание между питанием и землей. Однако такие выходы могут использоваться в качестве входов для пассивных диодных логических элементов И или ИЛИ. Это позволяет избежать затрат на добавление активных логических элементов. [3] Однако диодная логика снижает уровни напряжения и приводит к плохому подавлению шума, поэтому разработчикам следует знать семейства интерфейсных логических схем диапазоны и ограничения напряжений , чтобы предотвратить сбои.
Микки Маус Логика
[ редактировать ]В книге с юмористическим названием «Логика Микки Мауса», описанной в « Дона Ланкастера, предлагается Поваренной книге CMOS» использовать диоды в качестве многофункционального инструмента для расширения ограниченных возможностей обычных ИС КМОП серии 4000 , например, с помощью диодного вентиля ИЛИ для добавления дополнительных входов. на триггере или диодном элементе И для настройки счетчика деления на N. [4] Вариант подхода предполагает сохранение запаса диодов 1N914 с инвертирующими триггерами Шмитта для обеспечения гистерезиса и функциональной полноты . [5]
Любое ключевое прерывание
[ редактировать ]Логический логический элемент диода ИЛИ с активным низким уровнем формируется с помощью клавиатуры, содержащей диоды на каждом переключателе, все они подключены к общему подтягивающему резистору. Когда ни один переключатель не замкнут, подтягивание поддерживает высокий уровень выходного сигнала. Но когда переключатель любой клавиши подключается к земле, выходной сигнал становится низким. Этот результат ИЛИ можно использовать в качестве сигнала прерывания, чтобы указать, что была нажата любая клавиша. Затем микроконтроллер может выйти из энергосберегающего режима ожидания и просканировать матрицу клавиш, чтобы определить, какая именно клавиша была нажата. [6]
Туннельные диоды
[ редактировать ]В 1960-е годы использование туннельных диодов в логических схемах было активной темой исследований. По сравнению с транзисторными логическими вентилями того времени туннельный диод имел гораздо более высокую скорость. В отличие от других типов диодов, туннельный диод обеспечивал возможность усиления сигналов на каждом этапе. Принципы работы логики туннельного диода основаны на смещении туннельного диода и подаче тока со входов, превышающего пороговый ток, для переключения диода между двумя состояниями. Следовательно, логические схемы туннельных диодов требовали средств для сброса диода после каждой логической операции.
Однако простой туннельный диодный затвор обеспечивал слабую изоляцию между входами и выходами и имел низкий вход и выход . Более сложные вентили с дополнительными туннельными диодами и источниками питания смещения преодолели некоторые из этих ограничений. [7] Достижения в области скорости дискретных и интегральных транзисторов и более односторонний характер транзисторных усилителей обогнали туннельный диодный затвор, в результате чего он больше не используется в современных компьютерах.
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Выходная нагрузка будет иметь некоторую емкость (даже если конденсатор не добавлен, будет некоторая паразитная емкость ). Когда все диоды имеют обратное смещение в состоянии с высоким импедансом, они будут обеспечивать лишь незначительную величину обратного тока насыщения для истощения емкости, поэтому для полного перехода выходного напряжения потребуется слишком много времени. Диоды также имеют обратное время восстановления.
- ^ Выходное напряжение будет специально подтянуто к падению прямого напряжения на одно меньше, чем самое низкое высокое входное напряжение. Разработчик должен гарантировать, что это выходное напряжение по-прежнему находится в допустимом верхнем диапазоне.
- ^ Выходное напряжение будет специально подтягиваться на одно падение прямого напряжения выше самого высокого низкого входного напряжения. Разработчик должен гарантировать, что это выходное напряжение по-прежнему находится в допустимом нижнем диапазоне.
- ^ Более реалистично, что 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.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Обратное время восстановления» . Аналоговые устройства . Архивировано из оригинала 18 января 2023 г. Проверено 18 января 2023 г.
- ^ Бигелоу, Кен (2015), Диодная логика , заархивировано из оригинала 7 мая 2021 года.
- ^ Интегральные схемы §Использование диодов для объединения выходов , Клуб электроники, получено 27 ноября 2022 г.
- ^ Ланкастер, Дон (1977). Поваренная книга КМОП (2-е изд.). США: Howard W Sams & Co., стр. 242–245. ISBN 0 672-22459-3 .
- ^ Уилсон, Рэй. «КМОП-логика Микки Мауса» . musicfromouterspace.com . Архивировано из оригинала 16 сентября 2022 г. Проверено 18 января 2023 г.
- ^ раздел 46.3.5 «Режим ожидания клавиатуры» на стр. 2884 «Справочного руководства по процессору i.MX RT1060X», ред. 1, 05/2022.
- ^ Техническое руководство по туннельным диодам для коммутационных и микроволновых применений TD-30 , RCA 1963, (3-я глава) Переключение
Внешние ссылки
[ редактировать ]