Елементна база сучасних комп'ютерів

Логічні елементи — елементарні пристрої цифрової техніки, призначені для реалізації елементарних операцій над логічними змінними.

Для реалізації операцій над логічними змінними, що можуть мати тільки два значення 0 і 1, застосовують технічні пристрої, які можуть знаходитися в одному з двох станів. Такими технічними пристроями є різного роду ключові елементи, що можуть перебувати в одному з двох станів: увімкнено й вимкнено. Ключові елементи можуть мати різну фізичну природу: пневматичний ключовий елемент — клапан на пневмопроводі, що може знаходитися у двох станах — закритому й відкритому, гідравлічний ключовий елемент — клапан на трубопроводі з рідиною, який також може бути або відкритий, або закритий. Відомі пристрої, що виконують доволі складні логічні операції, побудовані на основі пневматичних ключових елементів. Однак найбільшого поширення набули логічні пристрої на основі електричних ключових елементів.

Е лектричний ключ може бути механічної дії, коли електричне коло замикається чи розмикається вручну за допомогою електричного вимикача чи кнопки.

Електричний ключ механічної дії застосовується для реалізації найпростіших логічних функцій на передніх панелях електричних пристроїв і вимірювальних приладів, задаючи різноманітні режими їх роботи. Досконалішим електричним ключем є електромагнітне реле. До винайдення і широкого застосування електронних ключових елементів електромагнітні реле були основним елементом для реалізації пристроїв обробки цифрової інформації.

Види електронних логічних елементів. У наш час для реалізації логічних функції і операцій застосовуються пристрої, що побудовані на основі електронних ключових елементів: біполярних і польових транзисторах, які працюють у ключовому режимі. Логічні змінні і функції можуть мати, як відомо, лише два значення — 0 і 1. У технічних пристроях значення логічного 0 реалізується рівнем напруги від 0 В до 0,8 В, а значення логічної 1 — рівнем напруги від 2,4 до 5 В. Розглянемо логічні елементи, що реалізують елементарні логічні операції НІ, І, АБО.

Логічний елемент І.

Логічний елемент І, умовне графічне позначення якого згідно з державними стандартами наведено на рисунку б, реалізує елементарну логічну операцію кон'юнкції або логічного множення.

Логічний елемент І реалізується на послідовно ввімкнених ключах (а). Вихідний сигнал послідовно ввімкнених ключів, що відповідає логічній 1, буде тільки в тому разі, якщо на обидва ключі подати сигнали, що відповідають рівню логічної 1 і вони обидва перейдуть у замкнений стан. Якщо хоч на один з ключів не подати сигнал, що відповідає логічній 1, то він залишиться у розімкненому стані, і вихідний сигнал дорівнюватиме рівню логічного 0.

 Логічний елемент АБО.

Логічний елемент АБО, умовне графічне позначення якого згідно з державними стандартами наведено на рисунку б, реалізує елементарну логічну операцію диз'юнкції або логічного додавання.

Логічний елемент АБО реалізується на паралельно ввімкнених ключах (а). Вихідний сигнал паралельно ввімкнених ключів, що відповідає логічному 0, буде тільки в тому випадку, якщо на обидва ключі подати сигнали, що відповідають рівню логічного 0, і вони обидва будуть розімкненими, і вихідний сигнал елемента дорівнюватиме рівню логічного 0. Якщо на один з ключів або на обидва разом подати сигнал, що відповідає логічній 1, то він замикається і на виході елемента встановиться рівень сигналу, що дорівнює логічній 1.

 Логічний елемент НІ (логічний інвертор).

Логічний елемент НІ реалізує елементарну логічну операцію (функцію) заперечення.

  На рисунку г наведено умовне графічне позначення логічного елемента НІ згідно з державним стандартом. Логічний елемент НІ будується на основі біполярного (а) або уніполярного (польового) транзистора (б, в), що працює в ключовому режимі. Ключовий режим транзистора характеризується тим, що транзистор знаходиться у одному з двох станів: стані насичення або стані відсікання. Перехід з одного стану в інший здійснюється стрибком. Якщо на базу біполярного транзистора подати напругу 2,4 ... 5 В, що відповідає логічній 1, то транзистор стрибком перейде у стан насичення і вихідна напруга, що знімається з колектора транзистора, дорівнюватиме напрузі на двох відкритих р-п переходах, тобто 0,4 ... 0,7 В, що відповідає рівню логічного 0. Якщо ж на базу транзистора подати напругу 0 ... 0,7 В, то транзистор стрибком перейде у стан відсікання, і вихідна напруга дорівнюватиме напрузі живлення 5 В, тобто рівню логічної 1. Таким чином, транзистор інвертує вхідний сигнал, тобто змінює значення сигналу на протилежне, отже, такий пристрій виконує логічну операцію заперечення.