Диодная логика (или диодно-резисторная логика ) строит логические элементы И и ИЛИ с помощью диодов и резисторов .
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 восстановления уровня напряжения , чего диодная логика сама по себе обеспечить не может.
Поскольку уровни напряжения ослабевают с каждым этапом диодной логики, несколько этапов не могут быть легко каскадированы, что ограничивает полезность диодной логики. Однако диодная логика имеет преимущество использования только дешевых пассивных компонентов .
Логические вентили оценивают булеву алгебру , обычно используя электронные переключатели, управляемые логическими входами, соединенными параллельно или последовательно . Диодная логика может реализовать только ИЛИ и И, поскольку инверторы (НЕ вентили) требуют активного устройства.
Основная статья: Логический уровень § 2-уровневая логика
Двоичная логика использует два различных логических уровня сигналов напряжения , которые можно обозначить как высокий и низкий . В этом обсуждении напряжения, близкие к +5 вольтам, являются высокими, а напряжения, близкие к 0 вольтам ( земля ), являются низкими. Точная величина напряжения не имеет решающего значения, при условии, что входы управляются достаточно сильными источниками, так что выходные напряжения лежат в обнаруживаемых различных диапазонах .
Для активной высокой или положительной логики высокий уровень представляет логическую 1 ( истина ), а низкий уровень представляет логический 0 ( ложь ). Однако назначение логической 1 и логического 0 высокому или низкому уровню является произвольным и меняется на противоположный в активной низкой или отрицательной логике, где низкий уровень является логической 1, а высокий уровень является логическим 0. Следующие диодные логические вентили работают как в активной высокой, так и в активной низкой логике, однако логическая функция, которую они реализуют, отличается в зависимости от того, какой уровень напряжения считается активным . Переключение между активным высоким и активным низким уровнем обычно используется для достижения более эффективной логической конструкции.
Прямосмещенные диоды имеют низкий импеданс, приближающий короткое замыкание с малым падением напряжения , в то время как обратносмещенные диоды имеют очень высокий импеданс, приближающий разомкнутую цепь. Стрелка символа диода показывает прямосмещенное направление обычного тока .
Каждый вход логического вентиля диода 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 какой-либо из них смещен в прямом направлении, общий выходной провод будет одним небольшим прямым падением напряжения внутри входа диода с прямым смещением.
Если ни один диод не смещен в прямом направлении, то ни один диод не будет обеспечивать ток возбуждения для нагрузки выхода (например, последующего логического каскада). Поэтому выходу дополнительно требуется подтягивающий или стягивающий резистор, подключенный к источнику напряжения, чтобы выход мог быстро переключаться [a] и обеспечивать сильный ток возбуждения, когда ни один диод не смещен в прямом направлении.
Примечание: следующие схемы имеют два входа для каждого затвора и, таким образом, используют два диода, но могут быть расширены с помощью большего количества диодов, чтобы обеспечить больше входов. По крайней мере один вход каждого затвора должен быть подключен к достаточно сильному источнику высокого или низкого напряжения. Если все входы отключены от сильного источника, выход может не попадать в допустимый диапазон напряжения.
Каждый вход подключается к аноду диода. Все катоды подключаются к выходу, на котором имеется подтягивающий резистор.
Если какой-либо вход имеет высокий уровень, его диод будет смещен в прямом направлении и будет проводить ток, тем самым повышая выходное напряжение [b] .
Если все входы низкие, все диоды будут обратно смещены, и ни один из них не будет проводить ток. Подтягивающий резистор быстро понизит выходное напряжение.
Подводя итог, можно сказать, что если хотя бы один вход имеет высокий уровень, то и выход будет высоким, но только если все входы имеют низкий уровень, то и выход будет низким:
Это соответствует логическому ИЛИ в активно-высокой логике, а также одновременно логическому И в активно-низкой логике.
Эта схема является зеркальным отражением предыдущей схемы: диоды поменяны местами, так что каждый вход подключен к катоду диода, а все аноды подключены вместе к выходу, на котором имеется подтягивающий резистор.
Если какой-либо вход имеет низкий уровень, его диод будет смещен в прямом направлении и будет проводить ток, тем самым понижая выходное напряжение [c] .
Если все входы высокие, все диоды будут обратно смещены, и ни один из них не будет проводить ток. Подтягивающий резистор быстро поднимет выходное напряжение высоко.
Подводя итог, можно сказать, что если какой-либо входной сигнал низкий, выходной сигнал будет низким, но только если все входные сигналы высокие, выходной сигнал будет высоким:
Это соответствует логическому И в активно-высокой логике, а также одновременно логическому ИЛИ в активно-низкой логике.
Для простоты иногда можно предположить, что диоды не имеют падения напряжения или сопротивления при прямом смещении и бесконечное сопротивление при обратном смещении. Но реальные диоды лучше аппроксимируются уравнением диода Шокли , которое имеет более сложную экспоненциальную зависимость тока от напряжения, называемую законом диода .
Разработчики должны полагаться на спецификацию диода , которая в первую очередь обеспечивает максимальное прямое падение напряжения при одном или нескольких прямых токах, обратный ток утечки (или ток насыщения ) и максимальное обратное напряжение, ограниченное пробоем Зенера или лавинным пробоем . Обычно включаются эффекты температуры и изменения процесса . Типичные примеры:
Диоды также имеют переходный отклик , который может вызывать беспокойство. Емкость между анодом и катодом обратно пропорциональна обратному напряжению, увеличиваясь по мере приближения к 0 вольт и к прямому смещению.
Существует также проблема восстановления : ток диода не уменьшится немедленно при переключении с прямого смещения на обратное смещение, поскольку разрядка его 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 приведут к кратковременному падению выходного напряжения или увеличению тока в диодах, которые остаются высокими. Если диодно -транзисторный логический вентиль управляет транзисторным инвертором аналогичной конструкции, транзистор будет иметь похожую емкость база-коллектор, которая усиливается коэффициентом усиления транзистора, так что он будет слишком медленным, чтобы пройти сбой. Но когда диод намного медленнее, восстановление станет проблемой:
В одной необычной конструкции небольшие диски селеновых диодов использовались с германиевыми транзисторами. Время восстановления очень медленных селеновых диодов вызывало 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 когда-либо мог быть).
Активные логические вентили выдают напряжения в точном диапазоне напряжений, при условии, что их входные напряжения находятся в несколько более широком допустимом диапазоне входных напряжений . Такое восстановление уровня позволяет использовать больше каскадных логических ступеней и устраняет шум, облегчая интеграцию в очень больших масштабах .
Однако пассивные диодные логические вентили накапливают следующие потери напряжения при каскадном включении вентилей:
Таким образом, возможное количество каскадирования ограничено значением V F и разницей высокого и низкого напряжения. При специальных конструкциях иногда достигаются двухступенчатые системы.
Чтобы компенсировать падение напряжения и обеспечить достаточный ток для питания нагрузки следующей цепи (цепей), подтягивающие резисторы могут быть подключены к источнику питания с напряжением выше номинального высокого уровня, а понижающие резисторы могут быть подключены к источнику питания с напряжением ниже номинального низкого уровня.
Исторически диодная логика широко использовалась в конструкции ранних компьютеров , поскольку полупроводниковые диоды могли заменить громоздкие и дорогостоящие активные вакуумные лампы . Изобретение транзистора позволило транзисторам заменить лампы в качестве активного элемента в диодно-транзисторной логике . Поскольку ранние транзисторы были ненадежны, например, компьютер наведения ракеты D-17B в основном использовал диодную логику и использовал транзисторы только при необходимости. Транзисторы быстро усовершенствовались, чтобы заменить диодную логику почти полностью. Однако диодная логика все еще находит некоторые современные применения. [ необходима цитата ]
Низкоимпедансные двухтактные выходы обычных ИС не следует напрямую подключать к внешним цепям, так как они могут создать короткое замыкание между питанием и землей. Однако такие выходы можно использовать в качестве входов для пассивных логических вентилей И или ИЛИ на диодах. Это позволяет избежать затрат на добавление активных логических вентилей. [3] Однако диодная логика ухудшит уровни напряжения и приведет к плохому подавлению шума, поэтому проектировщики должны знать диапазоны и ограничения напряжений семейства интерфейсной логики , чтобы предотвратить сбои.
Юмористически названная «Логика Микки Мауса», описанная в книге Дона Ланкастера « CMOS Cookbook», предлагает использовать диоды в качестве многофункционального инструмента для расширения ограниченных возможностей обычных ИС серии CMOS 4000 , например, используя диодный логический элемент ИЛИ для добавления дополнительных входов на триггере или диодный логический элемент И для настройки счетчика деления на N. [4] Другой подход предполагает сохранение запаса диодов 1N914 с инвертирующими триггерами Шмитта для обеспечения гистерезиса и функциональной полноты . [5]
Активно-низкий логический вентиль ИЛИ-диода формируется клавиатурой, содержащей диоды на каждом переключателе, все из которых подключены к общему подтягивающему резистору. Когда ни один переключатель не замкнут, подтягивающий резистор поддерживает выход высоким. Но когда переключатель для любой клавиши подключается к земле, выход становится низким. Этот результат ИЛИ может использоваться как сигнал прерывания, чтобы указать, что была нажата какая-либо клавиша. Затем микроконтроллер может выйти из энергосберегающего режима ожидания и просканировать матрицу клавиш , чтобы определить, какая конкретно клавиша была нажата. [6]
В 1960-х годах использование туннельных диодов в логических схемах было активной темой исследований. По сравнению с транзисторными логическими вентилями того времени туннельный диод предлагал гораздо более высокие скорости. В отличие от других типов диодов, туннельный диод предлагал возможность усиления сигналов на каждом этапе. Принципы работы логики туннельного диода основаны на смещении туннельного диода и подаче тока от входов сверх порогового тока для переключения диода между двумя состояниями. Следовательно, логические схемы туннельного диода требовали средства для сброса диода после каждой логической операции.
Однако простой туннельный диодный затвор обеспечивал слабую изоляцию между входами и выходами и имел низкий коэффициент разветвления на входе и выходе . Более сложные затворы с дополнительными туннельными диодами и источниками питания смещения преодолели некоторые из этих ограничений. [7] Достижения в скорости транзисторов дискретных и интегральных схем и более односторонняя природа транзисторных усилителей обогнали туннельный диодный затвор, в результате чего он больше не используется в современных компьютерах.
