Введение

Логические элементы И и ИЛИ на диодах

Диодная логика (или диодно-резистивная логика) строит логические элементы И и ИЛИ с использованием диодов и резисторов. Для обеспечения логической инверсии (НЕ) для функциональной полноты и усиления для восстановления уровня напряжения требуется дополнительное активное устройство (вакуумные лампы в ранних компьютерах, а затем транзисторы в диодно-транзисторной логике), что диодная логика сама по себе обеспечить не может. Поскольку уровни напряжения ослабевают на каждой стадии диодной логики, последовательное соединение нескольких стадий затруднено, что ограничивает область применения диодной логики. Однако диодная логика имеет преимущество в использовании только недорогих пассивных компонентов.

Логические ворота

Логические элементы вычисляют булеву алгебру, как правило, с использованием электронных переключателей, управляемых логическими входами, соединенными параллельно или последовательно. Диодная логика может реализовать только операции ИЛИ и И, поскольку для реализации инверторов (логических элементов НЕ) требуется активный компонент.

Диодный биссинг

Диоды, включенные в прямом направлении, имеют низкое сопротивление, близкое к короткому замыканию с небольшим падением напряжения, а диоды, включенные в обратном направлении, – очень высокое сопротивление, близкое к разрыву цепи. Стрелка на символе диода указывает направление протекания обычного тока при прямом включении.

Диодные логические шлюзы AND и OR

Каждый вход диодного логического элемента соединяется через диод, подключенный к общему проводному логическому выходу. В зависимости от уровня напряжения на каждом входе и направления диода, каждый диод может быть или не быть открыт (находиться в прямом смещении). Если хотя бы один диод открыт, общий выходной провод будет иметь падение напряжения, равное прямому напряжению открытого диода. Если ни один диод не открыт, ни один диод не будет обеспечивать ток для нагрузки на выходе (например, для следующего логического каскада). Поэтому выход дополнительно требует подтягивающего или подтягивающего к земле резистора, подключенного к источнику питания, чтобы выход мог быстро переключаться и обеспечивать достаточный ток в состоянии, когда ни один диод не открыт. Примечание: следующие схемы имеют два входа на каждый элемент и, следовательно, используют два диода, но их можно расширить, добавив больше диодов для поддержки большего числа входов. По крайней мере один вход каждого элемента должен быть подключен к достаточно мощному источнику высокого или низкого напряжения. Если все входы отключены от мощного источника, выход может оказаться за пределами допустимого диапазона напряжений.

Временная реакция

Диоды также обладают переходными характеристиками, которые могут вызывать опасения. Ёмкость между анодом и катодом обратно пропорциональна обратному напряжению, увеличиваясь при приближении к 0 вольт и переходе в прямое смещение. Существует также проблема восстановления: ток диода не прекращается мгновенно при переключении из прямого смещения в обратное, поскольку для разряда накопленного заряда требуется конечное время (trr или время обратного восстановления). В диодных логических элементах ИЛИ, если два или более входов находятся в высоком состоянии, а один переключается в низкое, проблемы восстановления могут вызвать кратковременное падение выходного напряжения или увеличение тока в диодах, оставшихся в высоком состоянии. Если диодно-транзисторный логический элемент управляет транзисторным инвертором аналогичной конструкции, транзистор будет иметь аналогичную ёмкость база-коллектор, которая усиливается коэффициентом усиления транзистора, что делает его слишком медленным для пропускания импульса. Но когда диод значительно медленнее, восстановление становится проблемой: в одной необычной конструкции использовались небольшие диски из селена с германиевыми транзисторами. Время восстановления очень медленных селеновых диодов вызвало импульс на выходе инвертора. Проблема была решена путем установки селенового диода параллельно базово-эмиттерному переходу транзистора, заставляя его работать как селеновый транзистор (если бы такой вообще мог существовать).

Приложения

Исторически диодная логика широко использовалась при создании первых компьютеров, так как полупроводниковые диоды могли заменить громоздкие и дорогие активные вакуумные лампы. Изобретение транзистора позволило транзисторам заменить лампы в качестве активного элемента в диодно-транзисторной логике. Поскольку ранние транзисторы были недостаточно надежными, компьютер управления ракетой D 17B, например, в основном использовал диодную логику, применяя транзисторы лишь при необходимости. Транзисторы быстро совершенствовались и практически полностью вытеснили диодную логику. Однако диодная логика до сих пор находит некоторое применение в современных устройствах.

Дешевая пассивная логика из активных выходов

Выходы с низким импедансом push-pull обычных интегральных схем не следует напрямую подключать к внешней схеме, так как это может привести к короткому замыканию между питанием и землей. Однако такие выходы можно использовать в качестве входов пассивных диодных логических элементов И или ИЛИ. Это позволяет избежать затрат на добавление активной логики. Тем не менее, диодная логика ухудшает уровни напряжения и снижает помехоустойчивость, поэтому разработчикам следует учитывать диапазоны напряжения и ограничения подключаемой логической схемы, чтобы предотвратить неисправности.

Логика Микки Мауса

Юмористически названная "Логика Микки Мауса", описанная в книге Дона Ланкастера "CMOS Cookbook", предлагает использовать диоды как универсальный инструмент для расширения ограниченных возможностей стандартных микросхем серии CMOS 4000. Например, диодный элемент ИЛИ можно использовать для добавления дополнительных входов к триггеру, а диодный элемент И – для настройки счетчика, делящего на N. Альтернативный подход заключается в том, чтобы иметь запас диодов 1N914 и инвертирующих триггеров Шмитта для обеспечения гистерезиса и функциональной полноты.

Любой ключ прерывает

Активный логический элемент И-ИЛИ с открытым коллектором формируется клавиатурой, содержащей диоды на каждом переключателе, все соединенные с общим подтягивающим резистором. Когда ни один переключатель не замкнут, подтягивающий резистор поддерживает выход в высоком состоянии. Но когда переключатель любой клавиши замыкается на землю, выход переходит в низкое состояние. Этот результат И-ИЛИ может использоваться как сигнал прерывания, указывающий на нажатие любой клавиши. Затем микроконтроллер может выйти из режима энергосбережения и отсканировать матрицу клавиш, чтобы определить, какая именно клавиша была нажата.

Диоды туннеля

В 1960-х годах использование туннельных диодов в логических схемах являлось активной областью исследований. По сравнению с транзисторными логическими элементами того времени, туннельный диод обеспечивал значительно более высокую скорость работы. В отличие от других типов диодов, туннельный диод предоставлял возможность усиления сигнала на каждом каскаде. Принцип работы логики на туннельных диодах основан на смещении туннельного диода и подаче тока от входов, превышающего пороговый, для переключения диода между двумя состояниями. Соответственно, логические схемы на туннельных диодах требовали средства для возврата диода в исходное состояние после каждой логической операции. Однако, простая схема на туннельном диоде обеспечивала слабую изоляцию между входами и выходами и имела низкую нагрузочную способность по входу и выходу. Более сложные схемы, с дополнительными туннельными диодами и источниками смещения, позволяли преодолеть некоторые из этих ограничений. Улучшения в скорости дискретных и интегральных транзисторов, а также более односторонняя характеристика транзисторных усилителей, превзошли логические элементы на туннельных диодах, что привело к их отказу от использования в современных компьютерах.