Что такое логический ноль и логическая единица

Уровни напряжения логических схем «0» и «1» и согласование транзисторно-транзисторной логики ТТЛ и КМОП логики с помощью обратной связи, резисторов, транзистора

Вследствие наличия паразитных падений напряжения в схемах на транзисторах, наводок, длины линии передачи сигнала и т.д.. Поэтому для логических схем интерпретируют сигналы как логическую единицу или логический нуль, даже в тех случаях, когда напряжение сигналов лежит в диапазоне между полным напряжением питания и нулём, то есть номинально не соответствует ни тому ни другом показателю.

Номинальное напряжение питания для логических радиоэлементов (микросхем) и номинальное значение логического 0 и логической 1

Спецификации входных и выходных сигналов схем КМОП логических элементов совершенно отличны от уровней напряжения, используемых для ТТЛ-элементов. Для КМОП-элементов, работающих при напряжении питания 5 вольт, приемлемые напряжения входного сигнала лежат в диапазоне от 0 до 1,5 вольт для низкого логического уровня, и от 3,5 до 5 вольт для высокого логического уровня. «Приемлемые» напряжения выходного сигнала (уровни напряжения, гарантируемые производителем элемента при указанном варианте нагрузки) лежат в диапазоне от 0 до 0,05 вольт для низкого логического уровня, и от 4,95 до 5 вольт для высокого логического уровня.

Представленные значения дают понять, что запас помехоустойчивости КМОП логических элементов гораздо больше аналогичного показателя ТТЛ-элементов: 1,45 вольт как для логического нуля, так и для логической единицы, против максимального запаса в 0,7 В в случае ТТЛ. Другими словами, КМОП-схемы могут выдержать более чем вдвое высокий наложенный шум на входе без ошибок интерпретации сигнала как логического нуля или единицы.
Запас помехоустойчивости КМОП логических схем становится ещё больше при более высоких рабочих напряжениях. В отличие от элементов ТТЛ, напряжение питания которых не превышает 5 вольт, напряжение питания КМОП-схем может достигать 15 (а в некоторых случаях и 18) вольт. Ниже показаны приемлемые уровни логических нуля и единицы, для выхода и входа КМОП-ИС, работающих при напряжении питания 10 и 15 вольт соответственно:

Помехоустойчивость при единичных (разовых) скачках напряжения, появления помехи (наводки)

В пределах «неопределённого» диапазона для любого входа логического элемента, будет иметься точка разделения актуального сигнала низкого уровня от диапазона действительного входного сигнала высокого уровня. То есть, где-то между наименьшим напряжением сигнала высокого логического уровня и наибольшим напряжением сигнала низкого логического уровня гарантированного производителем, существует порог напряжения, при котором логическая схема будет менять интерпретацию сигнала с высокого на низкий и наоборот. В случае большей части логических схем, это напряжение соответствует одной определённой точке:

При наличии шумового напряжения переменного тока, наложенного на входной сигнал постоянного тока единственная точка, в которой схема переменит интерпретацию логического уровня будет обуславливать ошибочный сигнал на выходе.

Подобная проблема характерна также для аналоговых ОУ-компараторов напряжения. В случае одиночной пороговой точки смены логического уровня наличие значительного шума может привести к неверной интерпретации логического уровня на выходе.

Эту проблему можно решить путём введения в цепь усилителя положительной обратной связи. В случае операционного усилителя необходимо соединить выход с неинвертирующим входом через резистор. Схемы подобного типа называются триггерами Шмитта. Триггеры Шмитта идентифицируют логический уровень сигнала согласно двум пороговым уровням: при нарастающем напряжении (VT+), и при падающем напряжении (VT-):

На схемах триггеры Шмитта изображаются с символом «гистерезиса». Гистерезис, вызванный положительной обратной связью в схеме логического элемента, придаёт схеме дополнительную помехоустойчивость. Триггеры Шмитта часто используются в схемах с высокой вероятностью шума на входе, а также в тех случаях когда ошибочно интерпретированный сигнал на выходе приведёт к некорректной работе системы в целом.
Различные требования по уровням напряжения ТТЛ- и КМОП-элементов создают определённые проблемы при использовании в одной схеме элементов двух типов. Хотя работа КМОП логических элементов может осуществляться при том же напряжении питания 5,00 В, которое необходимо для элементов ТТЛ, выходные уровни напряжения ТТЛ логики несовместимы с входными требованиями по напряжению для КМОП-схем.
Возьмём к примеру ТТЛ-элемент НЕ-И, сигнал с выхода которого подаётся на вход КМОП-инвертора. Питание обоих элементов составляет 5,00 В (Vcc). Если с выхода элемента ТТЛ приходит сигнал логического нуля (т.е. между 0 и 0,5 В), то он будет верно интерпретирован на входе КМОП-схемы как сигнал низкого логического уровня (т.е. сигнал между 0 и 1,5 В):

Однако, если с выхода элемента ТТЛ приходит сигнал логической единицы (т.е. между 5 и 2,7 В), то он может быть неверно интерпретирован на входе КМОП-схемы как сигнал высокого логического уровня (т.е. ожидается сигнал между 5 и 3,5 В):

Такое несоответствие может привести к тому, что «правильный» сигнал высокого уровня на выходе ТТЛ- элемента (правильный с точки зрения стандартов ТТЛ) будет лежат в «неопределённом» диапазоне входа КМОП-схемы, и быть неверно воспринят как сигнал логического нуля принимающим элементом. Простым решением этой проблемы может стать повышение сигнала логической единицы элемента ТТЛ с помощью нагрузочного повышающего резистора:

Однако потребуется гораздо более серьёзная переделка схемы, если питание КМОП-схемы выше 5 вольт:

Проблемы не возникнет в случае логического нуля, однако всё обстоит совершенно иначе в случае сигнала высокого логического уровня с выхода элемента ТТЛ. Диапазон выходного напряжения 2,7-5 В с выхода элемента ТТЛ совершенно не соответствует приемлемому диапазону 7-10 В КМОП логической схемы. Если мы используем ТТЛ-схемы с открытым коллектором, то нагрузочный резистор, включённый в шину питания Vdd 10 вольт, поднимет сигнал высокого логического уровня до полного напряжения питания КМОП логической схемы. Поскольку в схеме с открытым коллектором в наличии только втекающий ток, напряжение логической единицы полностью определяется тем напряжением питания, к которому подключён повышающий резистор, что помогает решить проблему несоответствия уровней напряжения.

Благодаря прекрасным характеристикам выходного напряжения КМОП схем, проблем при подключения ТТЛ элемента к выходу КМОП схемы обычно не возникает. Единственной серьёзной проблемой может стать токовая нагрузка, поскольку КМОП-схема должна обеспечивать втекающий ток на каждый вход элемента ТТЛ в случае логического нуля.
Если КМОП-схема питается от источника напряжения выше 5 вольт (Vcc), то возникнет проблема. Напряжение логической единицы КМОП-схемы выше 5 вольт не будет находиться в диапазоне допустимых входные параметров элемента ТТЛ. Решением этой проблемы может стать инвертор с «открытым коллектором» на дискретном NPN-транзисторе, используемом для соединения двух логических схем:

Повышающий резистор Rpullup используется опционально, поскольку входы элементов ТТЛ принимают высокий логический уровень, когда находятся в плавающем состоянии, что и произойдёт, когда выход КМОП-схемы будет низким, а транзистор будет находиться в состоянии отсечки. Конечно, важным последствием такого решения является логическая инверсия, создаваемая транзистором: когда на выходе КМОП-схемы будет сигнал логического нуля, элемент ТТЛ будет «видеть» логическую единицу и наоборот. Однако, если принимать эту инверсию во внимание, то корректная работа схемы не будет нарушена.

Источник

Уровни логического нуля и единицы

Дата добавления: 2014-11-27 ; просмотров: 14085 ; Нарушение авторских прав

Как уже говорилось ранее, цифровые микросхемы характеризуются тем, что могут находиться только в двух состояниях. Состояния цифровых микросхем могут быть описаны двумя цифрами: ‘0’ и ‘1’. При этом можно состояние микросхемы характеризовать различными параметрами. Например, током или напряжением в цепях микросхемы, открыты или заперты транзисторы на выходе микросхемы, светится или нет светодиод (если он входит в состав микросхемы).

Условились в качестве логических состояний цифровых микросхем воспринимать напряжение на их входе и выходе. При этом высокое напряжение договорились считать единицей, а низкое напряжение — считать нулем. В идеальном случае напряжение на выходе микросхем должно быть равным напряжению питания или общего провода схемы. В реальных схемах так не бывает. Даже на полностью открытом транзисторе есть падение напряжения. В результате на выходе цифровой микросхемы напряжение всегда будет меньше напряжения питания и больше потенциала общего провода. Поэтому договорились напряжение, меньшее заданного уровня (уровень логического нуля) считать нулём, а напряжение, большее заданного уровня (уровень логической единицы), считать единицей. Если же напряжение на выходе микросхемы будет больше уровня логического нуля, но меньше уровня логической единицы, то такое состояние микросхемы будем называть неопределённым. На рисунке 3.2 приведены допустимые уровни выходных логических сигналов дляТТЛ микросхем

. Обратите внимание, что чем ближе выходное напряжение к напряжению питания или к напряжению общего провода схемы, тем выше к.п.д. цифровой микросхемы.

Рисунок 3.2 Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем

Напряжение с выхода одной микросхемы передаётся на вход другой микросхемы по проводнику. В процессе передачи на этот проводник может наводиться напряжение от каких либо генераторов помех (осветительная сеть, радиопередатчики, импульсные генераторы). Помехоустойчивость цифровых микросхем определяется максимальным напряжением помех, которое не приводит к превращению логического нуля в логическую единицу и зависит от разности логических уровней цифровой микросхемы.

То же самое относится и к помехам, превращающим логический ноль в логическую единицу.

Чем меньше разница между U_вх1мин и U_{вх0макс}, тем большим усилением обладает цифровая микросхема. Типовое усиление ТТЛ микросхем по напряжению K_u составляет 40 раз. Это приводит к тому, что подав на вход этой микросхемы напряжение, на 40 мВ меньшее уровня U_пор, мы воспримем его как логический ноль, и на выходе этой микросхемы получим нормальный логический уровень. При подаче на вход ТТЛ микросхемы напряжения, на 40 мВ большего уровня U_пор, это напряжение будет восприниматься как логическая единица. Граница уровня логического нуля и единицы для ТТЛ микросхем приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем

Вспомним, что на выходе цифровой ТТЛ микросхемы уровень логической единицы не может быть меньше 2,4 В, а уровень логического нуля не может быть больше 0,4 В. В результате, даже при наведении на вход ТТЛ микросхемы помехи, напряжением 0,96 вольт, искажение цифровой информации не произойдёт.

Теперь вспомним, что микросхемы могут работать при воздействии неблагоприятных факторов таких как пониженная температура, старение микросхем, воздействие радиации. Поэтому производители микросхем гарантируют срабатывание микросхем с некоторым запасом. Например, фирма Texas Instruments объявляет для своих микросхем входной уровень единицы — 2 В, а уровень нуля — 0,8 В. Эти уровни тоже показаны на рисунке 3.

А что же произойдёт, если напряжение на входе цифровой микросхемы будет близко к порогу, разделяющему уровень логического нуля и логической единицы? В этом случае микросхема перейдет в активный режим работы и оба выходных транзистора могут оказаться открытыми. В результате микросхема может выйти из строя. Поэтому входы цифровых (особенно КМОП) микросхем ни в коем случае не должны быть оставлены неподключенными! Если часть элементов цифровой микросхемы не используется, то их входы должны быть подключены к источнику питания или общему проводу схемы. И в заключение данной темы обратите внимание, что конкретное значение порога переключения для различных экземпляров микросхем и от серии к серии микросхем может изменяться в некоторых пределах. Это ещё одна причина, по которой нельзя подавать на вход логических микросхем напряжение в пределах неопределённого состояния или оставлять входы микросхем неподключенными.

Источник

Основные понятия цифровой схемотехники

Прежде чем мы начнем создавать цифровые устройства, определимся, что они собой представляют и рассмотрим основные понятия. Итак, цифровая схемотехника отличается от аналоговой тем, что работает она только с двумя уровнями сигнала – высоким и низким, которые соответственно называют «логическая единица» и «логический ноль». Поэтому первые (и основные) два понятия будут следующими:

Никаких других уровней цифровая схемотехника не допускает, только «есть напряжение»/»нет напряжения». С виду мало, но тому же ПК, за которым вы сейчас сидите, как видите, хватает.

В зависимости от того, на какой элементной базе собраны цифровые микросхемы, они могут различаться, как говорят, по типу логики. Существует несколько типов, но самое широкое распространение получили транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) или просто ТТЛ-микросхемы и комплементарный металлооксидный полупроводник (КМОП) или КМОП-микросхемы.

Первый тип микросхем собран на биполярных транзисторах, второй на полевых и каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. ТТЛ микросхема, к примеру, может работать на более высоких, чем КМОП микросхема частотах и более помехоустойчива, но вторая потребляет с десятки и даже сотни раз меньше энергии и не так критична к стабильности величины питающего напряжения.

Стандартным напряжением для ТТЛ микросхем принято считать 5 В, при этом логическая единица близка к значению +5 В, ноль – напряжение относительно «–» источника питания отсутствует. Диапазон напряжений питания КМОП микросхем достаточно широк – от 3 В до 12 и даже выше, но принцип сохраняется: логическая единица – напряжение, близкое к источнику питания, логический ноль – напряжение отсутствует.

Слева – логический элемент ТТЛ микросхемы, справа – КМОП

Несмотря на такое отличие ТТЛ от КМОП (а есть еще ТТЛШ, ЭСЛ, ДТЛ и пр.) микросхем, логика их работы ничем не отличается, а это значит, что схемотехника цифровых устройств на ТТЛ и КМОП будет очень схожа. Настолько схожа, что во многих случаях ее можно будет назвать одинаковой, в чем мы в самое ближайшее время и убедимся.

Источник

Что такое логический ноль и логическая единица

Цифровые микросхемы. Типы логики, корпуса

Автор:
Опубликовано 12.12.2005

Ну сначала скажем так: микросхемы делятся на два больших вида: аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы работают с аналоговым сигналом, а цифровые, соответственно – с цифровым. Мы будем говорить именно о цифровых микросхемах.

Точнее даже, мы будем говорить не о микросхемах, а об элементах цифровой техники, которые могут быть «спрятаны» внутри микросхемы.

Что это за элементы?

Некоторые названия вы слышали, некоторые, может быть – нет. Но поверьте, эти названия можно произносить вслух в любом культурном обществе – это абсолютно приличные слова. Итак, примерный список того, что мы будем изучать:

Все цифровые микросхемы работают с цифровыми сигналами. Что это такое?

Цифровые сигналы – это сигналы, имеющие два стабильных уровня – уровень логического нуля и уровень логической единицы. У микросхем, выполненных по различным технологиям, логические уровни могут отличаться друг от друга.

В настоящее время наиболее широко распространены две технологии: ТТЛ и КМОП.

ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная Логика;
КМОП – Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник.

У ТТЛ уровень нуля равен 0,4 В, уровень единицы – 2,4 В.
У логики КМОП, уровень нуля очень близок к нулю вольт, уровень единицы – примерно равен напряжению питания.

По-всякому, единица – когда напряжение высокое, ноль – когда низкое.

НО! Нулевое напряжение на выходе микросхемы не означает, что вывод «болтается в воздухе». На самом деле, он просто подключен к общему проводу. Поэтому нельзя соединять непосредственно несколько логических выводов: если на них будут различные уровни – произойдет КЗ.

Кроме различий в уровнях сигнала, типы логики различаются также по энергопотреблению, по скорости (предельной частоте), нагрузочной способности, и т.д.

DIP
(Dual Inline Package )

Обычный «тараканчик». Ножки просовываем в дырки на плате – и запаиваем.

Ножек в корпусе может быть 8, 14, 16, 20, 24, 28, 32, 40, 48 или 56.

Расстояние между выводами (шаг) – 2,5 мм (отечественный стандарт) или 2,54 мм (у буржуев).

Ширина выводов около 0,5 мм

Нумерация выводов – на рисунке (вид сверху). Чтобы определить нахождение первой ножки, нужно найти на корпусе «ключик».

SOIC
(Small Outline Integral Circuit)

Планарная микросхема – то есть ножки припаиваются с той же стороны платы, где находится корпус. При этом, микросхема лежит брюхом на плате.

Шаг выводов – 1,25 мм (отечественный) или 1,27 мм (буржуазный).

Ширина выводов – 0,33. 0,51

PLCC
(Plastic J-leaded Chip Carrier)

Микросхемы либо запаиваются непосредственно на плату (планарно), либо вставляются в панельку. Последнее – предпочтительней.

Количество ножек – 20, 28, 32, 44, 52, 68, 84.

Ширина выводов – 0,66. 0,82

Нумерация выводов – первая ножка возле ключа, увеличение номера против часовой стрелки:

TQFP
(Thin Quad Flat Package)

Квадратный корпус толщиной около 1мм, выводы расположены по всем сторонам.

Количество ножек – от 32 до 144.

Ширина вывода – 0,3. 0,45 мм

Нумерация – от скошенного угла (верхний левый) против часовой стрелки.

Вот так, в общих чертах, обстоят дела с корпусами. Надеюсь теперь вам станет немножко легче ориентироваться в бесчисленном множестве современных микросхем, и вас не будет вгонять в ступор фраза продавца типа: «эта микросхема есть только в корпусе пэ эл си си»…

Источник

Работа логических элементов.

Элемент «И», «AND» или «конъюнктор».
У этого элемента может быть несколько входов, но не менее двух. Соответственно, с двумя входами «2И», с тремя «3И» и так далее. На рис. 2 дано обозначение этого элемента (вариант с двумя входами) и таблица истинности.
Понять логику элемента «И» можно так: если хотя бы на одном из его входов, сколько бы их ни было, ноль, то ноль будет и на выходе. А чтобы на выходе была единица нужно, чтобы на всех его входах были только единицы. В общем, ноль тут выходит «главный».

Весьма интересный элемент «Исключающее «ИЛИ» («ХОR»).
На рисунке 6 дано обозначение этого элемента и таблица истинности. Действие, которое он выполняет называют «сложение по модулю 2». И действительно, на этих элементах строятся логические сумматоры.
Логика его работы такова: когда на его входах уровни разные, тогда на выходе будет единица, а ноль будет тогда, когда уровни одинаковы.

Более наглядно работу логических элементов на графиках и электрических аналогов элементов можно посмотреть по ссылке «Логические элементы микросхем»

КМОП-комплементарный метал-оксид полупроводник.
Проще говоря, это микросхемы на разноструктурных полевых транзисторах с изолированными затворами. Это обстоятельство дает целый ряд преимуществ: крайне низкий ток потребления (доли микроамперов); очень высокое входное сопротивление (к одному выходу можно подключать очень много входов), широкий диапазон питающего напряжения (от 3 до 15V).
Но есть и существенные недостатки: максимальная рабочая частота для разных МС и разного напряжения питания от 0,5 до 5 МГц. Причем при работе на частоте ближе к максимальной резко возрастает потребляемый ток (почти до ТТЛ-овских значений). К тому же, выходной ток относительно невысок (от 0,5 mA до 10 mА у разных МС), поэтому, например, для управления индикаторным светодиодом нужны какие-то дополнительные усилители мощности, вроде ключа на транзисторе КТ315.
Номинальное напряжение логической единицы немного ниже, или равно напряжению питания; напряжение нуля меньше 0,1V.
По такой технологии сделаны отечественные микросхемы К561, и зарубежные серии CD40. а так же многочисленные аналоги этих серий.

Быстродействующий КМОП.
Это наиболее современная технология с достоинствами ТТЛШ и КМОП. МС по этой технологии потребляют минимальный ток (микроамперы), но могут работать на частотах до 150 МГц. Напряжение питания лежит в пределах 2..6V. Логические уровни как у КМОП, но максимальный ток выхода может достигать 75 mА.
К ним относятся микросхемы серий КР1561 и зарубежные 74НС,74АС.

Источник

• ← Что такое логический контроль ошибка 508 в больничном листе
• Что такое логический оператор →