ДИОДНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

— электронные цепи, построенные из диодов и резисторов и предназначенные для реализации логических функций. Д. л. э. были первыми полупроводниковыми логическими элементами и применялись уже в ламповых ЦВМ. В Д. л. э. используется свойство полупроводникового диода оказывать различное сопротивление протекающему через него току в зависимости от полярности приложенного напряжения. Электр, схемы простейших Д. л. э. изображены на рис. 1. Если потенциал на входе, соответствующий логической «1», превышает потенциал соответствующий логическому то говорят, что в схеме используются «положительные» сигналы, а если то «отрицательные». Для схем с положительными сигналами источники питания выбирают так, чтобы выполнялось условие: причем одно из напряжений питания или может быть равно нулю. Сопротивление R всегда намного больше прямого, но меньше обратного сопротивления диода. При этих условиях на выходе схемы потенциал, близкий к устанавливается только в том случае, если на все входов поданы сигналы «1». Если хотя бы один из входов находится под потенциалом то соответствующий диод открыт и, поскольку его прямое сопротивление мало, на выходе также устанавливается потенциал, близкий к На выходе схемы «ИЛИ» (рис. 1, б) такой потенциал получается лишь тогда, когда на все входы подан сигнал Если хотя бы на одном из входов появляется сигнал «1», то соответствующий диод открывается, и потенциал на выходе схемы возрастает до значения, близкого к При работе изображенных на рис. 1 схем с отрицательными сигналами выполняемые ими логические функции меняются: схема рис. 1, а реализует функцию «ИЛИ», а схема рис. 1,б — функцию «И». При этом должно выполняться условие: . Для реализации логических функций, являющихся суперпозицией функций и «ИЛИ», описанные Д. л. э. можно комбинировать между собой, подсоединяя выходы одних ко входам других. В результате получают многоступенчатые Д. л. э., состоящие из ряда последовательно включенных схем «И» и «ИЛИ» (рис. 2).

Логические переменные в ЦВМ чаще всего формируются триггерами, которые могут одновременно выдавать и прямые и инвертированные сигналы. При наличии таких сигналов произвольную логическую функцию в принципе можно реализовать с помощью Д. л. э. «И» и «ИЛИ», в частности, с помощью

(рис. см. скан)

двухступенчатых Д. л. э. типа «И/ИЛИ» либо «ИЛИ/И». Д. л. э. типа реализуют логические функции, представленные в дизъюнктивной, а Д. л. э.типа «ИЛИ/И» - в конъюнктивной нормальной форме. В двухступенчатых Д. л. э. все пути прохождения сигнала аналогичны, между каждым входом и выходом последовательно включено одинаковое число диодов, чем обеспечивается равенство задержек и ослаблений сигналов.

При описании двухступенчатых Д. л. э. часто используют матричные схемы (рис. 3, а и б). Матричная форма особенно удобна для представления Д. л. э., реализующих одновременно несколько различных функций от общих логических переменных (рис. 3, в и г). Частным

случаем таких Д. л. э. являются диодные дешифраторы и преобразователи кодов (рис. 4). Если в Д. л. э. «И» или «ИЛИ» (см. рис. 1) напряжение питания заменить напряжением одного из сигналов, то получим Д. л. э. «с управлением по напряжению питания». Такие Д. л. э. использованы, например, в схеме сдвигателя, изображенной на рис. 3, г. Вместо источника на них прикладывается напряжение с регистра исходного кода. Д. л. э. этого типа часто называют клапанами, рассматривая сигнал, заменяющий источник питания, как основной, а сигналы на входах как управляющие.

В ряде случаев в Д. л. э. «И» и «ИЛИ» вместо резистора Л можно подключить нагрузку. В результате получаются Д. л. э. «с логикой нагрузки». Подобная схема «ИЛИ» с управлением по напряжению питания изображена на рис. 5. Если схема работает с положительными сигналами и большое напряжение в нагрузке интерпретируется как то реализует функцию «ИЛИ» с запретом. Такой Д. л. э. можно использовать, напр., на выходе логической цепи, где нагрузка представляет собой некий исполнительный орган. Д. л. э. можно собирать из отдельных диодных линеек (полосок, сборок), представляющих собой совокупность нескольких диодов с общим анодом или катодом (т. е. имеющих гальваническую связь между всеми или -областями полупроводника соответственно). Д. л. э. для реализации систем логических функций (дешифраторы, преобразователи кодов и т. п.) удобнее собирать из диодных матриц — устройств, состоящих из двух перекрещивающихся систем проводящих шин, между которыми в заданных местах включены полупроводниковые диоды. Быстродействие Д. л. а. определяется импульсными характеристиками диодов, суммарной емкостью нагрузки запертых диодов и монтажа, а также максимальными токами, которые может отбирать Д. л. э. в режиме переключения от источников питания и источников входных сигналов. Будучи пассивными элементами, диоды не могут усиливать сигнал. По мере прохождения через цепь из Д. л. э. сигналы ослабляются: уменьшается перепад между уровнями и особенно резко — ток, который можно отбирать с выхода логической цепи по сравнению с токами на входе. С увеличением числа ступеней становятся все более жесткими допуски на сопротивления и требования к величине токов, отбираемых от источников сигналов и источников питания. Для повышения эффективности Д. л. э. желательны большие питающие напряжения сравнительно с перепадом потенциалов но при этом возрастает и может стать чрезмерной мощность, рассеиваемая резисторами. Из-за влияния перечисленных факторов число ступеней в Д. л. э. обычно ограничивают двумя-тремя. При построении более длинных логических цепей Д. л. э. комбинируют с усилительными элементами на триодах полупроводниковых, магнитных сердечниках, лампах ит.д. Преимуществом чисто диодных логических схем являются меньшие габариты их, низкая стоимость, более высокая надежность.

В последние годы быстро совершенствуется технология изготовления Д. л. э. Начинают выпускать микроэлектронные диодные линейки и матрицы, в которых все диоды и соединения сформированы на одном кристалле полупроводника и заключены в общий корпус, а также Д. л. э. в интегральном исполнении, в которых на одном кристалле или на одной подложке формируют не только диоды и межсоединения, но и резисторы. В таких элементах наряду с резким увеличением плотности компоновки достигаются более высокая надежность и быстродействие при снижении стоимости. Переход на микроэлектронное исполнение вызывает изменения в подходе к проектированию логических цепей с Д. л. э. Если раньше при проектировании схем стремились минимизировать число используемых диодов, то теперь может оказаться более целесообразным минимизировать, напр., число «корпусов» (т. е. диодных матриц или линеек) независима от заполнения их диодами.

Быстродействующие Д. л. э. можно строить на туннельных диодах (см. Диод полупроводниковый), которые в отличие от обычных диодов являются активными приборами и позволяют усиливать сигналы. Схемы на туннельных диодах реализуют пороговые логические функции принимающие значение «1», если и более аргументов одновременно равны «1». На рис. 6, а для примера показана схема простейшего логического мажоритарного элемента на туннельном диоде с тремя входами. С выхода снимается большой ток если не менее чем на два входа действует сигнал «1». Д. л. э,. на туннельных диодах отличаются высоким быстродействием (тактовая частота порядка и выше), малой потребляемой мощностью и богатыми логическими возможностями. Основной их недостаток — отсутствие внутренней развязки между входом и выходом, что затрудняет объединение схем в узлы. Для обеспечения направленности потока информации приходится использовать многофазные системы импульсного питания. Более просто направленность передачи сигнала обеспечивается применением в цепях связи обычных или обращенных диодов (рис. 6, б). Д. л. э. на туннельных диодах целесообразно использовать для построения быстродействующих узлов ЦВМ, в которых допустимо применение логических элементов с небольшим коэффициентом разветвления. Дальнейшее совершенствование Д. л. э. указанного типа, повышение их надежности и расширение области применения связано с улучшением воспроизводимости и стабильности параметров туннельных диодов, а также с развитием интегральной технологии изготовления соответствующих схем.

Лит.: Котт В. М., Гаврилов Г. К., Баваров С. Ф. Туннельные диоды в вычислительной технике. М., 1967 [библиогр. с. 212—214]; Ричардс Р. К. Элементы и схемы цифровых вычислительных машин. Пер. с англ. М., 1961; Прессман А. И. Расчет и проектирование схем на полупроводниковых приборах для цифровых вычислительных машин. Пер. с англ. М., 1963; Харли Р. Б. Логические схемы на транзисторах. Пер. с англ. М., 1965 [библиогр. с. 423]. В. М. Корсупский.