Диодная логика (или диодно-резисторная логика ) строит логические элементы И и ИЛИ 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 восстановления уровня напряжения , 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 .
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.
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 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 логики с активным высоким или 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 или отрицательном логическом уровне, где низкий уровень соответствует логической 1, а высокий уровень соответствует логическому 0. Следующие диодные логические элементы 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.
Диоды с прямым смещением имеют низкий импеданс, соответствующий короткому замыканию с небольшим падением напряжения , тогда как диоды с обратным смещением имеют очень высокий импеданс , соответствующий разомкнутой цепи. Стрелка на символе диода показывает прямосмещенное направление обычного тока .
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 подтягивающий или понижающий резистор, подключенный к источнику напряжения, чтобы выход мог быстро переключаться [a] и обеспечивать сильный управляющий ток, 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.
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 будет проводить ток, тем самым повышая выходное напряжение [b] .
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:
Это соответствует логическому ИЛИ в логике с активным высоким уровнем, а также одновременно логическому И в логике с активным низким уровнем.
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, тем самым снижая выходное напряжение [c] .
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:
Это соответствует логическому И в логике с активным высоким уровнем, а также одновременно логическому ИЛИ в логике с активным низким уровнем.
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 .
Разработчики должны полагаться на спецификацию диода , 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 . Обычно учитываются эффекты изменения температуры и процесса . Типичные примеры:
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 вентиль 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 использовались небольшие диски селеновых 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).
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:
Таким образом, осуществимое количество каскадирования ограничено значением V F и разностью 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.
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, компьютер наведения ракеты Д-17Б , 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 цитата ]
Двухтактные выходы обычных микросхем с низким импедансом 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 уровень напряжения и приводит к плохому подавлению шума, поэтому разработчикам следует знать диапазоны напряжений и ограничения семейства интерфейсных логических схем , чтобы предотвратить сбои.
В книге с юмористическим названием «Логика Микки Мауса», описанной в «Поваренной книге CMOS » Дона Ланкастера, предлагается 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]
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 как сигнал 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]
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.
