Классификация логических элементов

Логические функции так и остались бы красивой абстракцией без их воплощения в реальном мире вещей, поэтому для прикладной реализации функций алгебры логики созданы устройства, называемые логическими элементами. В современной технике можно встретить огромное разнообразие механизмов от простейших до очень сложных, работа которых базируется на принципах математической логики. В этой статье кратко рассказано о классах логических элементов и выделены несколько общих признаков классификации.

Что такое классификация логических элементов

В современном мире все привыкли ассоциировать логические элементы с электронными микросхемами. Однако электроника получила бурное развитие только во второй половине XX века, а элементам математической логики уже больше двух тысячелетий.

Считают, что основоположником логики как науки является древнегреческий ученый Аристотель. Он первым вывел логическую теорию, систематизировав имеющиеся на тот момент знания о логике, сформулировал правила логического мышления.

Аристотель

Рис. 1. Аристотель.

Где используются логические элементы?

Неэлектронные логические элементы не утратили актуальности и в настоящее время. Это связано с тем, что электроника, как самодостаточная отрасль занимает относительно небольшой сегмент экономики. По сути это класс устройств, который связан непосредственно с обработкой информации — компьютеры, мобильные телефоны, телевизоры, схемы управления.

Однако реальная хозяйственная деятельность предполагает наличие огромного количества инструментов для физической обработки материалов, химических производств, поддержания технологических процессов. Для производства тех же компьютеров требуется масса подготовительной работы, которая связана скорее не с обработкой информации, а с обработкой стали, кремния и изготовлением полимеров.

Несмотря на то, что все современные станки и механизмы снабжены электроникой, позволяющей с высокой точностью поддерживать технологический процесс, некоторые операции логичнее поручить самому исполнительному устройству и реализовать на его элементной базе. Во-первых, это сокращает цепочку сигналов от механизма до электронного блока управления и обратно, позволяя увеличить быстродействие. Во-вторых, исключает из цепочки электронный блок управления, увеличивая надежность, а иногда и безопасность системы в целом.

Таким образом, в зависимости от вида энергии, преобразование которой происходит при работе того или иного устройства можно выделить следующие классы логических элементов:

  • механические;
  • гидравлические;
  • пневматические;
  • электрические;
  • электронные;
  • оптические.

Помимо вышеперечисленных основных видов в литературе часто встречаются их комбинации, например электромеханические элементы.

Рис. 2. Схема гидравлического элемента ИЛИ.

Электронная элементная база

Конечно не стоит недооценивать электронику, с помощью которой наиболее полно и просто реализуются сколь угодно сложные логические функции. Именно благодаря развитию электронных компонентов максимально раскрыт потенциал некогда абстрактной дисциплины. Можно с уверенностью утверждать, что принципы, сформулированные еще Лейбницем и Булем определили развитие современных технологий.

Работа различных электронных устройств основана на принципах булевой алгебры. Английский математик Джордж Буль первым формализовал работу с высказываниями, введя понятия их истинности и ложности. Этот подход как раз и реализован в современных вычислительных устройствах, которые функционируют на бинарном принципе и воспринимают только два сигнала: ноль и единица.

По сути, элементная база логических элементов носит скорее эволюционный характер и связана с вытеснением старых технологий более новыми, быстродействующими и эффективными. К основным видам можно причислить:

  • РТЛ. Резисторно-транзисторная логика.
  • ДТЛ. Диодно-транзисторная логика.
  • ТТЛ и ТТЛ(Ш). Транзисторно-транзисторная логика и более продвинутый вариант – с использованием диодов Шоттки.
  • ЭСЛ. Эмиттерно-связанная логика.
  • КМОП. Комплементарные МОП-транзисторы.

Стоит отметить, что наибольшим быстродействием и экономичностью на текущий момент обладают именно КМОП-микросхемы, которые практически вытеснили остальные типы реализаций.

Рис. 3. Схема элемента ИЛИ-НЕ, построенного на полевых транзисторах.

Что мы узнали?

Принцип алгебры логики используется во всех сферах техники, а не только в электронно-цифровых устройствах. Базовая классификация устройств, реализующих функции алгебры логики, построена на основе вида энергии, преобразование которой происходит при работе устройства.

Оценка статьи

Предметы