В процессе преобразования и упрощения логических функций часто пользуются законами коммутативности, ассоциативности и дистрибутивности, которые обязательны также и в булевой алгебре Кроме того, при реализации сложных функций часто удобнее пользоваться так называемыми картами Карно, являющимися графическим представлением произведений всех комбинаций имеющихся переменных. В частности, логические элементы используются для создания матричных схем, служащих для преобразования кодов, триггеров и разных схем, выполняющих сложные функции, например таких, как калькуляторы, цифровые машины, генераторы различных сигналов, электромузыкальные инструменты, электронные часы, измерительные приборы.

Определение «вентиль» или «логический вентиль» в принципе относится к элементу И. Часто это название используется совсем для других логических элементов и схем, работающих в двоичной системе с двумя определенными уровнями сигналов. Иногда вентилем называют схему, в которой сигнал появляется на выходе только при подаче запускающего импульса. В общем случае схема вентиля может иметь больше двух входов.

Существует много возможностей, зависящих от типа логической схемы и электронных элементов, которые выбраны для применения.

В простейшем случае используются диодные логические схемы, сокращенно обозначаемые ДЛ. Используются также диодно-транзисторные схемы (ДТЛ), транзисторно-транзисторные (ТТЛ), резистивно-транзисторные (РТЛ) и др.

От используемой технологии зависят переключающие свойства логической схемы, ее стоимость, надежность. Логические схемы чаще всего выполняют в виде интегральных микросхем, содержащих на одном кристалле по меньшей мере несколько логических элементов. Цифровые интегральные микросхемы, выпускаемые в ПНР и содержащие различные комплекты вентилей, обозначаются как UCY, например UCY7400, UCY74-A10N[27]

Как уже подчеркивалось, полупроводниковые элементы, используемые в логических схемах, работают в двух состояниях: включено либо выключено. Состояние «Включено» обычно соответствует области насыщения полупроводникового элемента, а состояние «Выключено» — области отсечки. Изменение состояний, (переключение) происходит скачком под воздействием внешних сигналов, представляющих уровень, соответствующий 1 или 0. Преимуществом полупроводникового элемента как переключающего элемента является очень малое внутреннее сопротивление, недостатком — инерционность, вызывающая задержки в отклике на быстрое изменение уровня в подводимом сигнале, связанное с происходящими в полупроводнике процессами.

Диодные логические схемы отличаются большой простотой. На рис. 12.9, а представлена схема элемента И. Если хотя бы на одном из входов имеется сигнал 0, то соответствующий диод смещается в прямом направлении. Через резистор протекает ток и выходное напряжение имеет низкий уровень, близкий к 0. Аналогично и в случае, когда оба входных сигнала являются нулями. Если на обоих входах присутствует сигнал 1, оба диода заперты и выходной уровень становится высоким, т. е. случай сигнала логической 1.

На рис. 12.9, б представлена схема элемента типа ИЛИ с тремя входами. Выходной сигнал, соответствующий логической 1, получается в том случае, когда по крайней мере один из входных сигналов х, у, z имеет значение 1. В других случаях через сопротивление не протекает ток и падение напряжения равно 0, а следовательно, выходной сигнал элемента ИЛИ соответствует логическому 0.

Рис. 12.9. Диодные логические схемы И — HЕ (а) и ИЛИ (б)

На рис. 12.10, а представлена транзисторная схема с непосредственной связью (гальванической), выполняющая функцию элемента типа НЕ. Транзистор работает по схеме ОЭ, инвертирующей фазу сигнала на 180°, благодаря чему z = х.

На рис. 12.10, б показана транзисторная схема, выполняющая функцию И — НЕ, на рис. 12.10, в — схема, выполняющая функцию ИЛИ — НЕ. Принцип работы обеих схем очень простой и не требует объяснения.

Достоинствами ТЛ-схем являются большая простота, высокое быстродействие, малое количество элементов. Недостатком — прежде всего необходимость подбора транзисторов с малым разбросом параметров, а также большее время выключения, особенно время t_s.

Рис. 12.10. Транзисторные логические схемы, выполняющие функции НЕ (а), И — НЕ (б) и ИЛИ-HE (в)

В диодно-транзисторных решениях схемы элементов типа И, ИЛИ реализуются как диодные, схемы элементов типа НЕ — как транзисторные и лишь схемы элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ — как состоящие из диодов и транзисторов.

На рис. 12.11 представлен элемент ИЛИ — НЕ в резисторно-транзисторном (РТЛ) схемном решении. Как легко заметить, он является модификацией элемента НЕ (см. рис. 12.10, а). Если на любом из входов, имеется 1, то транзистор находится в состоянии насыщения и на выходе элемента появится сигнал логического 0. К недостаткам РТЛ-схем относятся: медленное переключение, низкая граничная частота, а также ограничение возможности интеграции из-за наличия резисторов и конденсаторов, включенных параллельно резисторам R для увеличения скорости переключения.

Рис. 12.11. Логическая схема РТЛ, выполняющая функции ИЛИ — НЕ

На рис. 12.12 представлен пример построения схемы ТТЛ, выполняющей функции И — НЕ. Это решение соответствует интегральной схеме типа UCY7400 и 134ЛБ1, содержащей четыре вентиля.

Рис. 12.12. Логическая ТТЛ-схема, выполняющая функции И — НЕ на интегральных микросхемах типа UCY7400 или 134ЛБ

Схема работает следующим образом. Транзистор Т₁ с двумя эмиттерами осуществляет логическое произведение (элемент И), а остальные транзисторы образуют выходной противотактный усилитель, осуществляющий функцию отрицания (элемент НЕ). Если хотя бы на одном из входов имеется сигнал логического 0 (ниже + 0,4 В), то транзистор Т₁ находится в состоянии насыщения, а транзистор Т₂ — в состоянии запирания. В этом случае резистор R₃ соединяет базу транзистора Т₁ с массой, что вызывает его запирание.

Транзистор Т₃ в этих условиях работает как эмиттерный повторитель, поскольку нагрузочное сопротивление схемы и сопротивление транзистоpa T₄ в состоянии запирания значительно больше, чем сопротивление R₄. Выходной сигнал повторителя соответствует 1 (более +2,4 В).