Диодно-транзисторные и оптоэлектронные мажоритарные логические элементы

Михаил Шустов

Приведены схемы и описание работы диодно-транзисторных и оптоэлектронных трехвходовых логических элементов «Мажоритарность» и «Мажоритарность-НЕ».

Логический элемент «Мажоритарность» имеет несколько входов и один выход, уровень «лог. 1» на котором появляется только при условии, что уровень «лог. 1» одновременно присутствует на большинстве из его входов. Математически это условие можно выразить как

где

N – число входов;
M – число задействованных входов;
ROUND – функция округления до целого в большую сторону.

Логический элемент «Мажоритарность-НЕ» можно рассматривать и как логический элемент «Миноритарность». Миноритарный логический элемент имеет несколько входов и один выход, уровень «лог. 0» на котором появляется только при условии, что уровень «лог. 1» одновременно присутствует на большинстве из его входов.

Рисунок 1.	Электрическая схема диодно-транзисторного трехвходового логического элемента «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT»).

Мажоритарные логические элементы входят в состав промышленно выпускаемых микросхем. Так, например, КМОП-микросхема К561ЛП13 содержит три трехвходовых мажоритарных элемента, эквивалентная схема которых достаточно сложна.

Простые варианты трехвходовых мажоритарных логических элементов «Мажоритарность» и «Мажоритарность-НЕ» можно выполнить на основе дискретных элементов. На Рисунке 1 представлена схема диодно-транзисторного трехвходового логического элемента, выполняющего функции «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT»).

При подаче на входы Х1–Х3 сигналов уровня «лог. 1» и/или «лог. 0» на выходе логического элемента в зависимости от положения условного переключателя SA1 можно получить сигналы, отвечающие таблице истинности, приведенной на Рисунке 2. Предполагается, что уровню «лог. 0» соответствует подключение входа логического элемента к общей шине.

Из анализа работы логического элемента, Рисунок 1, следует, что уровень его выходного сигнала переменится в случае, когда на два или более входа логического элемента будут поданы сигналы уровня «лог. 1».

Рисунок 2.	Условные обозначения логических элементов «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT») и их таблица истинности.

Более простой вариант трехвходового логического элемента «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT») можно получить с использованием оптоэлектронных элементов.

Рисунок 3.	Электрическая схема оптоэлектронного трехвходового логического элемента, выполняющего функции «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT»).

Устройство, Рисунок 3, выполнено с использованием трех оптопар, каждая из которых имеет светодиод и два фотодиода. При отсутствии входных сигналов все фотодиоды находятся в токонепроводящем состоянии. При подаче на один из входов сигнала уровня «лог. 1» фотодиоды, соответствующие этому входу, переходят в токопроводящее состояние, однако этого недостаточно для того, чтобы на выходе логического элемента сменился выходной уровень. Для того чтобы выходной уровень логического элемента переключился, необходимо подать сигнал уровня «лог. 1» не менее чем на два его входа, Рисунки 1 и 2.

Для защиты светодиодов оптопар от их возможного повреждения обратным напряжением в случае, когда на один из входов подана «лог. 1», а на другой – «лог. 0», для светодиодов каждого из входов рекомендуется использовать отдельный, а не общий гасящий резистор.