Синтез комбинационных схем

Вентили

Вся компьютерная техника построена на очень простых элементах. Эти элементы называются вентилями. Вентили – электронные устройства, вычисляющие простейшие булевы функции.

В свою очередь, вентили строятся из транзисторов. Транзистор – полупроводниковый прибор, способный изменять свое сопротивление под действием управляющего напряжения (электронный переключатель, ключ).

Для понимания принципа работы вентилей, рассмотрим рис.1а. На нем изображены переключатель и лампочка. При разомкнутом переключателе (как показано на рисунке) цепь разомкнута, ток не идет, лампочка не горит. Все напряжение питания Uпитбез потерь приходит на выход схемы Uвых= Uпит. Если переключатель замкнуть, то пойдет ток, следовательно, лампочка загорится, и все напряжение будет задействовано на ней. При этом Uвых= 0.

Рис. 1. Инвертор: с переключателем (а); с транзистором (б)

На рис.1б вместо переключателя используется биполярный транзистор, а вместо лампочки – резистор. Транзистор имеет три вывода – коллектор, базу и эмиттер. На базу подается управляющее (входное) напряжение Uвх, от которого зависит, будет транзистор включен или выключен (рис.2).

Рис. 2. Принцип действия транзистора

Если управляющее напряжение Uвх равно логическому нулю, транзистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу Uвых, близкому к Uпит. Если Uвх становится равно логической единице, транзистор включается и действует как проводник, Uвых = 0 В.

Таким образом, если напряжение Uвх высокое, то Uвых – низкое и наоборот, т. е. эта схема действует как инвертор. Резистор нужен для ограничения тока, чтобы транзистор не сгорел. На переключение из одного состояния в другое требуется несколько наносекунд.

Схемы на рис.3 и рис.4 образуют вентили И-НЕ (NOT-AND, или NAND) и ИЛИ-НЕ (NOT-OR, или NOR).

Рис. 3. Вентиль И-НЕ

Рис. 4. Вентиль ИЛИ-НЕ

Обозначения пяти основных вентилей на электрических схемах приведены на рис. 5а – российский стандарт и на рис.5б – американский стандарт.

Рис.5. Основные вентили

Вентили И и ИЛИ получаются путем подключения к выходу вентилей И-НЕ и ИЛИ-НЕ инверторов. Таким образом, вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ требуют по два транзистора, а вентили И и ИЛИ – по три. Поэтому в большинстве компьютеров используются вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ. (На практике все вентили выполняются несколько сложнее, но вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ все равно проще, чем вентили И и ИЛИ.) Вентили могут иметь более двух входов (до восьми) и в этом случае называются 3И-НЕ, 4И-НЕ и т. д.