Цифровые микросхемы обрабатывают сигналы с помощью дискретных состояний – нуля и единицы. Основные строительные блоки таких систем включают инверторы, конъюнкторы и дизъюнкторы. Каждый выполняет строго определённую функцию: инвертор меняет входное значение на противоположное, конъюнктор выдаёт единицу только при одновременной подаче двух единиц, а дизъюнктор – если хотя бы на одном входе есть единица.
На практике чаще всего применяются транзисторно-транзисторные и комплементарные структуры. Первые отличаются высокой скоростью переключения, вторые – низким энергопотреблением. Для проектирования устройств выбирайте ТТЛ-серии, если критична быстродействие, или КМОП-технологию при работе от батарей.
Современные микросхемы содержат десятки миллионов базовых компонентов, но их поведение всегда описывается таблицами истинности. Например, исключающее ИЛИ выдаёт единицу, когда входные сигналы различаются. Такие таблицы – основной инструмент для анализа и синтеза цифровых схем.
Как устроены базовые компоненты цифровых схем
Для проектирования цифровых устройств применяют стандартные блоки, выполняющие булевы операции. Основные типы: И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT), исключающее ИЛИ (XOR). Каждый преобразует входные сигналы в выходной по жестким правилам.
Блок И выдает единицу только при наличии высокого уровня на всех входах. Например, микросхема 7408 содержит четыре таких компонента с двумя входами. Скорость переключения – около 10 нс при питании 5 В.
Инверторы меняют сигнал на противоположный. Кристаллы 7404 включают шесть независимых преобразователей. Задержка распространения не превышает 15 нс, потребление – 2 мА на канал.
Комбинационные варианты, такие как И-НЕ (NAND) в корпусе 7400, совмещают функции. Такие сборки чаще используют в практических схемах из-за универсальности. Один такой корпус заменяет три отдельных.
Для сложных устройств выбирают программируемые матрицы (ПЛМ). Они позволяют менять внутренние связи без перепайки. Современные чипы содержат до 10⁴ эквивалентных вентилей с быстродействием 1 ГГц.
Как функционируют базовые компоненты в цифровых системах
ИЛИ выдает 1, если хотя бы один вход активен. В ТТЛ-варианте применяйте диодную сборку, где аноды подключены к входам, а катод – к выходу через резистор.
И требует наличия единицы на всех входах. В интегральных микросхемах серии 74HC для ускорения переключения добавьте буферные каскады.
Исключающее ИЛИ (XOR) определяет различие сигналов: выход активируется при несовпадении битов. Соберите его из четырех NAND-ячеек по формуле A XOR B = (A NAND (A NAND B)) NAND (B NAND (A NAND B)).
Триггеры сохраняют состояние до изменения управляющего сигнала. Для синхронных версий подключите тактовый генератор с частотой не выше 1/3 от максимальной задержки распространения.
Основные типы базовых компонентов и их применение в электронике
Для построения цифровых устройств чаще всего применяют инверторы, И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также их комбинации. Инвертор меняет входной сигнал на противоположный: 0 превращается в 1, а 1 – в 0. Используется в усилителях, генераторах тактовых импульсов и для согласования уровней напряжения.
Блок И выдает единицу только при наличии высокого уровня на всех входах. Пример: контроль доступа, где сигнал активируется только при совпадении нескольких условий. В микросхемах серии 74HC08 содержится четыре таких модуля.
Модуль ИЛИ формирует выходной сигнал, если хотя бы один вход активен. Применяется в системах аварийной сигнализации, где тревога срабатывает от любого датчика. Готовые решения – микросхемы 74HC32.
Исключающее ИЛИ (XOR) дает на выходе 1, если сигналы на входах различаются. Ключевое применение – сумматоры и проверка четности. Например, чип 74HC86 содержит четыре XOR-компонента.
Комбинационные варианты (И-НЕ, ИЛИ-НЕ) сокращают количество деталей на плате. И-НЕ (74HC00) заменяет связку И + инвертор, что упрощает схемы управления реле или светодиодами.
Триггеры и счетчики строятся на основе этих модулей. D-триггер (74HC74) запоминает состояние, а двоичный счетчик (74HC193) использует их каскадное включение для подсчета импульсов.
