Логический элемент «И» на диодах, совместимый с КМОП
.
При построении устройств на цифровых КМОП микросхемах нередко возникает необходимость в одном элементе «И» с тем или иным числом входов, а свободных в составе задействованных корпусов нет. Использовать еще один? Выйти из положения можно с помощью нескольких диодов, собрав из них практически полный аналог КМОП элемента с любым числом входов. Для примера на рисунке ниже логический элемент 2И.
Если на вход хотя бы одного из диодов подан сигнал логического нуля, этот диод находится в проводящем состоянии, следовательно, на нем падает напряжение, примерно равное 0.7 В. Напряжение на выходе схемы равно прямому напряжению диода. Если оба входа находятся в состоянии логической единицы, то оба диода заперты. Выходное напряжение при этом равно или чуть меньше напряжения питания схемы Uпит. Таким образом, при низком уровне хотя бы одного входного сигнала выходное напряжение равно прямому напряжению диодов.
Какие диоды выбрать? Из характеристик интегральных схем КМОП известно, что низкий уровень входного напряжения должен быть меньше 1 В. Отсюда следует, что необходимо выбирать диоды с низким уровнем прямого напряжения, во всяком случае, оно должно быть меньше 1 В. Это могут быть любые диоды Шоттки, но вполне можно остановиться на кремниевых или германиевых импульсных диодах, имеющих прямое напряжение порядка 0.7 В. К примеру, из серии 2Д922 — 2Д927 или ГД507-ГД508, с любой буквой.
Схема интересна еще и тем, что количество входов по «И» несложно увеличить простым добавлением нужного числа диодов.
.
Источник
Логические элементы для зануд
Зануд не любят, но все мы ими бываем. Мимо самоделки, сделанной родственной душой, я пройти не смог. Глядите, какая необычная.
Считается, что логические элементы, содержащие инверторы — И-НЕ, ИЛИ-НЕ и исключающее ИЛИ-НЕ — невозможно выполнить на одних только диодах и резисторах. Но автор Hackaday под очень прикольным ником Dr. Cockroach (представьте себе таракана с фонендоскопом — смешно?) проявил немного занудства и сделал вывод, что светодиод — разновидность диода, а фоторезистор — разновидность резистора. Ага, значит, всё-таки можно!
Вначале он изготовил оптопару из светодиода и фоторезистора, после чего включил её в такую схему:
Индикаторный светодиод — тот, который не входит в состав оптопары, а виден пользователю — он подключил не последовательно с фоторезистором, а параллельно ему. Когда включён светодиод оптопары, сопротивление фоторезистора становится меньше сопротивления резистора, через который питается индикаторный светодиод. То, что при этом происходит, по-научному называется шунтированием. Индикаторный светодиод выключается. А если выключить светодиод оптопары, индикаторный, наоборот, включится, поскольку шунтирование прекратится. Значит, получился инвертор на одних диодах и резисторах. Первый логический элемент для зануд заработал!
Но оптопара, конечно, громоздкая получилась. Сейчас Dr. Cockroach это исправит.
Теперь компактнее. Только свет снаружи проникать будет. В общем, не просто так люди изобрели термоусадку. Она как раз пригодится!
Вместо индикаторного светодиода к выходу инвертора можно подключить светодиод другой оптопары, то есть, из таких логических элементов можно составлять сложные схемы. Но на одних инверторах далеко не уедешь. Понимая это, мастер добавил обычные, несветящиеся диоды и сделал симпатичный элемент И-НЕ:
Если в этой схеме переполюсовать обычные диоды и исключить левый резистор, получится элемент ИЛИ-НЕ. Теперь, когда сами элементы разработаны, мастер задумывается о том, где их применить, и делает такую штуку:
Это — RS-триггер. Два элемента И-НЕ в нём применены в качестве инверторов (оба входа соединены), два других таких же — по прямому назначению. Посмотрите на схему:
«Доктор Таракан» проверяет её:
Работает, как и подобает RS-триггеру.
Разобрав несколько ночников, Dr. Cockroach обнаружил в каждом из них по фоторезистору и маленькой плате с SMD-светодиодом. Из них он тоже сделал оптопары, а потом подумал: зачем для каждого логического элемента делать довольно крупную плату, если резисторы и обычные диоды можно очень компактно разместить, используя объёмный монтаж? Сравните новые логические элементы со старыми — разница в габаритах значительная!
Выводы у них расположены так:
Испытания в полном разгаре, и судя по отсутствию криков и ударов кулаком об стол, всё работает как задумывалось:
На обычных логических элементах строят не только триггеры, но и мультивибраторы. На «занудных», оказывается, тоже можно. И на не-SMD-шных:
Помню, был фантастический фильм про роботов, размножающихся разборкой разных железок и сборкой из их деталей себе подобных. Очень похоже на одного из них:
Руководствуясь электрической и логической схемами, вы тоже можете повторить эксперимент мастера:
Обратите внимание, что на первой из схем Dr. Cockroach не показал индикаторные светодиоды и резистор для них.
Затем мастер посмотрел на схему элемента И-НЕ ещё раз и понял: подтягивающий резистор на выходе не обязателен, потому что он есть на входе следующего такого же элемента. Разумеется, если следующий элемент — ИЛИ-НЕ, где подтягивающего резистора нет как раз на входе, работать ничего не будет. Но элементы ИЛИ-НЕ «Доктор Таракан» решил больше не применять, потому что в них происходит некоторая потеря напряжения логического уровня. Элементы ИЛИ всегда можно сделать из инверторов и элементов И-НЕ, которые теперь устроены так:
Так работает цепь из мультивибратора и элемента И-НЕ:
И решил мастер: а не замахнуться ли ему на целый JK-триггер?
А чтобы получилось брутальнее и нагляднее, собрал всё это Dr. Cockroach из логических элементов хоть и с SMD-шными оптопарами, но на переходных платах:
Так оно работает при тактировании мультивибратором. Схема очень критична к напряжению питания.
Ну а элемент в не-SMD-шном варианте он, наоборот, сделал миниатюрным, с применением объёмного монтажа, и придал ему вертикальную форму, чтобы было похоже на транзистор:
По поведению такая оптопара тоже подобна транзистору, и не полевому, а биполярному. Ибо управляется током.
Эти логические элементы работают на низких частотах, поэтому за их работой удобно наблюдать при помощи программного осциллографа на компьютере или смартфона. Dr. Cockroach для начала попробовал теоретически рассчитать форму сигнала на выходах мультивибратора при частоте в 43 Гц и точном подборе напряжения питания:
Реальный сигнал при 19,8 Гц:
Он же, после инвертирования:
А вот что будет, если частоту увеличить до 42,2 Гц:
«Доктор Таракан» пришёл к выводу, что искажают форму сигнала паразитные ёмкости в фоторезисторе.
Мастер экспериментирует со светодиодами габарита 0402. Они так малы, что любой из них по сравнению с фоторезистором — крошка:
Но поскольку логический элемент вновь собран не объёмным монтажом.
Мастер приделал к JK-триггеру другой мультивибратор и любуется результатом:
А теперь он делится схемами элементов НЕ, И-НЕ и ИЛИ-НЕ, причём в третьем оптопара содержит два светодиода. Непонятно, правда, как это согоасуется с тем, что ранее он хотел от ИЛИ-НЕ отказаться вообще.
Dr. Cockroach решил попробовать сделать на оптопаре линейный усилитель — не всё же логическими элементами ограничиваться. Получился именно усилитель — с ним при одной и той же амплитуде входного сигнала звук громче, чем без него. Только никогда так не делайте — если в схеме есть источник постоянной составляющей, источник сигнала надо подключать не напрямую, а через конденсатор.
А это — микросхема, точнее, микросборка с четырьмя элементами И-НЕ, прямо как в нашей любимой К155ЛА3!
Где аналог К155ЛА3, там и D-триггер — для него требуются как раз четыре логических элемента И-НЕ. Как и микросхему-прототип, самодельную микросборку можно превратить в такой триггер добавлянием только одних проводов.
Чтобы управлять триггером, мастер построил неказистый, но отлично работающий пульт. На этот раз, конечно, снова всё получилось:
RS-триггер может быть значительно упрощён, если не составлять его из логических элементов, а применить знакомый каждому электрику принцип самоблокирующегося реле. Только чуть видоизменённый, так что сразу на обе кнопки нажимать нельзя — источник питания закоротите:
Свободен от этого недостатка другой триггер, чуть более сложный. В нём снова на один и тот же фоторезистор направлены сразу два светодиода:
Чтобы у триггера был выход, «Доктор Таракан» ещё несколько усложнил схему (где теперь, наоборот, один светодиод светит сразу на два фоторезистора) и добавил инвертор:
Снова всё работает:
Чтобы сделать одновибратор с нерегулируемой длительностью импульса на выходе, Dr. Cockroach подаёт на один вход элемента И входной сигнал непосредственно, а на другой — тот же сигнал, но пропущенный через цепочку из трёх инверторов. Что, в общем-то, эквивалентно одному инвертору, только задержка более длительная:
Ну вот, на вход поступают длинные импульсы, на выходе получаются короткие. То, что надо!
Ну а впереди у мастера — целый счётчик из триггеров, только он пока не готов:
Надеюсь, теперь читатель будет чуточку лояльнее относиться к занудам. Один из которых доказал, что инвертирующие логические элементы на одних диодах и резисторах возможны, если светодиод считать бродом, а фоторезистор — резистором. И столько всего сделал интересного. А этот счётчик у него тоже обязательно получится.
Источник
