Предложена схема пассивного диодно-резистивного логического элемента OR/AND с неограниченным числом входов и имеющего выходы OR и AND, действующие одновременно. Обоснована возможность создания пассивного универсального логического элемента, содержащего транзистор, диодный мост и три-четыре резистора, имеющего одновременно выходы OR, XOR и AND. Пассивные логические элементы работают без собственного источника питания и не требуют каких-либо переключений в схеме. Приведены также схемы активно-пассивных универсальных логических элементов OR-NOR/XOR-XNOR/AND-NAND, OR/NEQUIV/AND и OR/EQUIV(XNOR)/AND, работающих без изменения конфигурации.
Описания универсальных логических элементов встречаются нечасто и, как правило, встречаются в патентной литературе. Одна из последних работ на эту тему была опубликована не так давно [1]. Логический элемент AND/NAND, OR/NOR, XOR/XNOR [1] содержал 4 аналоговых коммутатора, 8 диодов, 2 транзистора, 7 резисторов и пару коммутирующих перемычек, задающих функцию элемента.
Для обоснования принципов работы более простого однотранзисторного универсального логического элемента рассмотрим вначале пассивный диодно-резистивный логический элемент OR/AND, Рисунок 1. Работает он следующим образом. В исходном состоянии оба ключа SA1 и SA2 находятся в нижнем по схеме, Рисунок 1а, положении и имитируют подачу напряжения уровня «лог. 0» на диодный мост VD1–VD4. В этом случае напряжения на выходах Y1 (OR) и Y2 (AND) равны нулю.
При переключении SA1 на диоды VD1 и VD2 будет подано напряжение высокого уровня. На сопротивлении нагрузки RН (выход Y1) также установится напряжение высокого уровня. Ток от источника E протекает через диод VD2, резистор R1 и диод VD3, катод которого соединен с общей шиной. Поскольку сигнал на выход Y2 снимается с этого диода, на этом выходе Y2 (AND) будет присутствовать напряжение низкого уровня (менее 0.7 В для кремниевого диода).
Зеркально аналогичная ситуация складывается, если на диоды VD3 и VD4 будет подано напряжение высокого уровня, а на диоды VD1 и VD2 – низкого.
Если на оба входа будет подано напряжение высокого уровня, на выходе Y1 (OR) также будет присутствовать напряжение высокого уровня. Поскольку диоды VD1 и VD3 в этой ситуации ток не проводят, сигнал уровня «лог. 1» через резистор R1 поступит на выход Y2 (AND). Работу логического элемента отображает Таблица истинности, Таблица 1.
| Таблица 1. | Таблица истинности двухвходового пассивного логического элемента OR/AND на диодах | ||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
На Рисунке 1б показана возможность неограниченного расширения числа входов пассивного логического элемента OR/AND. Поскольку такой элемент не содержит транзисторов, можно надеяться, что он будет работоспособен до области сверхвысоких частот. Вторым достоинством столь простого логического элемента является то, что для его работы не требуется источник питания.
 | |
| Рисунок 1. | Пассивный логический элемент OR/AND на диодах: а) двухвходовый учебный; б) многовходовый. |
Пассивный диодно-резистивный логический элемент OR/AND нельзя признать универсальным, поскольку он не способен самостоятельно работать в качестве элемента «Исключающее ИЛИ» (XOR).
Как будет показано ниже, можно создать универсальный логический элемент OR/XOR/AND на основе минимальной совокупности компонентов, Рисунок 2. Такой элемент содержит всего 4 диода, 3(4) резистора и один полевой или биполярный транзистор.
 | |
| Рисунок 2. | Универсальный логический элемент OR/XOR/AND на полевом транзисторе. |
Рассмотрим, как работает данный элемент при различных сочетаниях поданных на его входы управляющих логических сигналов. Если на оба входа X1 и X2 подано напряжение уровня «лог. 0» (входы соединены с общей шиной), на всех трёх выходах Y1, Y2, Y3 также присутствует «лог. 0».
При подаче на вход X1 напряжения уровня «лог. 1», а на вход X2 уровня «лог. 0» напряжение высокого уровня через диод VD2 подаётся через резистор R1 на выход Y1. Это напряжение также поступает через резистор R3 на затвор полевого транзистора, который через прямо смещенный диод VD3 соединен с общей шиной. Напряжение затвор-исток транзистора VT1 мало (порядка падения напряжения на диоде VD3). Поскольку пороговое напряжение, открывающее транзистор VT1 2N7000, составляет 2.0…2.2 В, транзистор закрыт, а на выходе Y2 логического элемента будет наблюдаться уровень «лог. 1».
На выходе Y3 будет присутствовать напряжение «лог. 0», равное падению напряжения на диоде VD3 (порядка 0.7 В).
Аналогичные процессы протекают, если на вход X2 подать управляющее напряжение уровня «лог. 1», а на вход X1 – уровень «лог. 0». Соответственно, на выходе Y1 будет напряжение уровня «лог. 1»; на выходе Y2 также уровень «лог. 1», а на выходе Y3 – уровень «лог. 0»
Рассмотрим случай, когда на входы X1 и X2 подданы управляющие напряжения уровня «лог. 1».
Тогда на выходе Y1 присутствует напряжение высокого уровня. Диоды VD1 и VD3 не участвуют в работе схемы. Напряжение на затворе полевого транзистора VT1 и выходе Y3 близко к уровню «лог. 1», транзистор VT1 открыт, выход Y2 соединен с общей шиной и имеет уровень «лог. 0».
В Таблице 2 приведена таблица истинности универсального логического элемента OR/XOR/AND.
| Таблица 2. | Таблица истинности универсального логического элемента | ||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
На Рисунке 3 показан вариант выполнения универсального логического элемента с использованием в качестве активного компонента биполярного транзистора VT1, например, BC547C. Работает это устройство по описанному выше принципу.
 | |
| Рисунок 3. | Универсальный логический элемент OR/XOR/AND на биполярном транзисторе. |
Активно-пассивный универсальный логический элемент OR-NOR/XOR-XNOR/AND-NAND может быть синтезирован за счет использования дополнительных выходных каскадов-инверторов на транзисторах VT2–VT4, Рисунок 4.
 | |
| Рисунок 4. | Универсальный логический элемент OR-NOR/XOR-XNOR/AND-NAND. |
В качестве активного компонента универсального логического элемента могут также быть использованы, например, элементы «ИЛИ-НЕ» микросхемы DD1 CD4001; «НЕ» микросхемы DD1 CD40106, Рисунок 5, либо аналоговый ключ микросхемы DA1 CD4066, Рисунок 6, и др.
 | |
| Рисунок 5. | Универсальный логический элемент с использованием элемента «НЕ» (NOT) микросхемы DD1 CD40106. |
 | |
| Рисунок 6. | Универсальный логический элемент с использованием аналогового ключа микросхемы DA1 CD4066. |
На основании универсального двухвходового логического элемента может быть создан пассивный четырехвходовый логический элемент, Рисунок 7. Однако назначение его будет несколько иным. Так, элемент сохранит свои функции на выходах Y1 (OR) и Y3 (AND), но Таблица истинности, Таблица 3, на его выходе Y2 будет соответствовать элементу «Эквивалентность-НЕ» (NEQUIV) [2]. Такой элемент имеет на выходе уровень «лог. 0» лишь в том случае, если сигналы на всех его входах будут иметь одинаковый уровень: либо «лог. 0», либо «лог. 1».
| Таблица 3. | Таблица истинности универсального четырехвходового логического элемента OR/NEQUIV/AND | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | |
| Рисунок 7. | Универсальный четырехвходовый логический элемент OR/NEQUIV/AND на полевом транзисторе. |
Универсальный активно-пассивный четырехвходовый логический элемент OR/EQUIV/AND на полевом транзисторе показан на Рисунке 8, Таблица 4. Если количество входов сократить до двух, элемент преобразуется в OR/XNOR/AND.
| Таблица 4. | Таблица истинности универсального четырехвходового логического элемента OR/EQUIV(XNOR)/AND | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | |
| Рисунок 8. | Универсальный четырехвходовый логический элемент OR/EQUIV/AND на полевом транзисторе. |
Несомненным достоинством рассмотренных выше универсальных логических элементов следует считать их исключительную простоту, вряд ли поддающуюся дальнейшему упрощению. Эти элементы совместимы с логическими уровнями ТТЛ- и КМОП-микросхем; один такой элемент может быть размещен в корпусе DIP6, Рисунок 2. Логические элементы, Рисунки 1–3 и 7, не требуют для своей работы источников питания. При использовании германиевых активных компонентов (транзистора) VT1 и диодного моста VD1–VD4 логические элементы, Рисунок 3, способны работать в области субвольтовых напряжений (уровней «лог. 1» и «лог. 0»), что недостижимо для ныне существующих элементов цифровой техники.
К числу недостатков пассивных универсальных логических элементов следует отнести их низкую нагрузочную способность, малую возможность их последовательного каскадирования в виду прогрессирующей потери выходных напряжений.