ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ "И" С МНОГОЗНАЧНЫМ ВНУТРЕННИМ ПРЕДСТАВЛЕНИЕМ СИГНАЛОВ Российский патент 2014 года по МПК H03K19/20 

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики и может использоваться в различных цифровых структурах и системах автоматического управления, передачи информации и т.п.

В различных вычислительных и управляющих системах широко используются логические элементы «И» (ЛЭ), реализованные на основе эмиттерно-связанной логики [1-12], работающие по законам булевой алгебры и имеющие по выходу два логических состояния «0» и «1», характеризующихся низким и высоким потенциалами.

В работе [13], а также монографиях соавтора настоящей заявки [14-15] показано, что булева алгебра является частным случаем более общей линейной алгебры, практическая реализация которой в структуре вычислительных и логических устройств автоматики нового поколения требует создания специальной элементной базы, реализуемой на основе логики с многозначным внутренним представлением сигналов, в которой эквивалентом стандартного логического сигнала является квант тока. Заявляемое устройство относится к этому типу логических элементов.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является логический элемент «И», представленный в патенте US 5.315.176, фиг.2. Он содержит первый 1 и второй 2 источники входных логических сигналов, управляющих состоянием соответствующих первого 3 и второго 4 коммутаторов квантов тока I₀, согласованных с первой 5 шиной источника питания, третий 6 и четвертый 7 коммутаторы квантов тока 10, согласованные с первой 5 шиной источника питания, первый 8 аналоговый повторитель сигналов, согласованный со второй 9 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 10 токовым выходом первого 3 коммутатора квантов тока I₀, второй 11 аналоговый повторитель сигналов, согласованный со второй 9 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 12 токовым выходом второго 4 коммутатора квантов тока 10, причем выходы первого 8 и второго 11 аналоговых повторителей сигналов соединены друг с другом.

Существенный недостаток известного логического элемента «И» состоит в том, что он, используя потенциальные двоичные сигналы, обладает усложненной структурой связей, нелинейностью рабочих режимов элементов и критичностью параметров структуры ЛЭ и входных сигналов, что в конечном итоге приводит к снижению его быстродействия.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании логического элемента «И», в котором внутреннее преобразование информации производится в многозначной токовой форме сигналов, определяемое состоянием входных потенциальных двоичных сигналов. В конечном итоге это позволяет повысить быстродействие и создать элементную базу вычислительных устройств, работающих на принципах многозначной линейной алгебры [14-15].

Поставленная задача решается тем, что в логическом элементе «И» (фиг.1), содержащем 1 и второй 2 источники входных логических сигналов, управляющих состоянием соответствующих первого 3 и второго 4 коммутаторов квантов тока I₀, согласованных с первой 5 шиной источника питания, третий 6 и четвертый 7 коммутаторы квантов тока 10, согласованные с первой 5 шиной источника питания, первый 8 аналоговый повторитель сигналов, согласованный со второй 9 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 10 токовым выходом первого 3 коммутатора квантов тока 10, второй 11 аналоговый повторитель сигналов, согласованный со второй 9 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 12 токовым выходом второго 4 коммутатора квантов тока I₀, причем выходы первого 8 и второго 11 аналоговых повторителей сигналов соединены друг с другом, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первого 8 аналогового повторителя сигналов используется токовое зеркало с дополнительным неинвертирующим входом 13, который соединен со вторым 14 токовым выходом второго 4 коммутатора кванта тока, в качестве второго 11 аналогового повторителя сигналов используется токовое зеркало с дополнительным неинвертирующим входом 15, который соединен с токовым выходом 16 третьего 6 коммутатора кванта тока I₀, второй 17 токовый выход первого 3 коммутатора кванта тока I₀ соединен с токовым выходом 18 четвертого 7 коммутатора кванта тока I₀ и подключен ко входу первого 19 дополнительного токового зеркала, согласованного со второй 9 шиной источника питания, объединенные токовые выходы первого 8 и второго 9 токовых зеркал связаны со входом второго 20 дополнительного токового зеркала, выход которого соединен с выходом первого 19 дополнительного токового зеркала и входом третьего 21 дополнительного токового зеркала, токовый выход которого 22 является токовым выходом устройства, причем первый 1 источник входного логического сигнала связан с управляющим входом третьего 6 коммутатора квантов тока I₀, а второй 2 источник входного логического сигнала связан с управляющим входом четвертого 7 входного коммутатора квантов тока I₀.

Схема логического элемента «И» - прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.3 приведен вариант построения первого 8 и второго 11 токовых зеркал.

На чертежах фиг.4 и фиг.5 показаны варианты практической реализации второго 20 и третьего 21 дополнительных токовых зеркал.

На чертеже фиг.6 представлена схема первого 14 дополнительного токового зеркала.

На чертеже фиг.7 представлен фрагмент практической реализации коммутаторов квантов тока (3, 4, 6, 7).

Схема фиг.8 характеризует другой вариант построения коммутаторов квантов тока 3, 4, 6, 7.

На чертеже фиг.9 показана схема заявляемого ЛЭ в среде моделирования «МС9».

На чертеже фиг.10 приведены временные диаграммы сигналов схемы фиг.9 (входные - потенциальные, выходной - токовый).

На чертеже фиг.11 представлены временные диаграммы сигналов схемы фиг.11 в момент включения выходного тока.

На чертеже фиг.12 показаны временные диаграммы сигналов схемы фиг.11 в момент выключения выходного тока.

Логический элемент «И» с многозначным внутренним представлением сигналов фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 источники входных логических сигналов, управляющих состоянием соответствующих первого 3 и второго 4 коммутаторов квантов тока I₀, согласованных с первой 5 шиной источника питания, третий 6 и четвертый 7 коммутаторы квантов тока 10, согласованные с первой 5 шиной источника питания, первый 8 аналоговый повторитель сигналов, согласованный со второй 9 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 10 токовым выходом первого 3 коммутатора квантов тока I₀, второй 11 аналоговый повторитель сигналов, согласованный со второй 9 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 12 токовым выходом второго 4 коммутатора квантов тока I₀, причем выходы первого 8 и второго 11 аналоговых повторителей сигналов соединены друг с другом. В качестве первого 8 аналогового повторителя сигналов используется токовое зеркало с дополнительным неинвертирующим входом 13, который соединен со вторым 14 токовым выходом второго 4 коммутатора кванта тока, в качестве второго 11 аналогового повторителя сигналов используется токовое зеркало с дополнительным неинвертирующим входом 15, который соединен с токовым выходом 16 третьего 6 коммутатора кванта тока I₀, второй 17 токовый выход первого 3 коммутатора кванта тока I₀ соединен с токовым выходом 18 четвертого 7 коммутатора кванта тока I₀ и подключен ко входу первого 19 дополнительного токового зеркала, согласованного со второй 9 шиной источника питания, объединенные токовые выходы первого 8 и второго 9 токовых зеркал связаны со входом второго 20 дополнительного токового зеркала, выход которого соединен с выходом первого 19 дополнительного токового зеркала и входом третьего 21 дополнительного токового зеркала, токовый выход которого 22 является токовым выходом устройства, причем первый 1 источник входного логического сигнала связан с управляющим входом третьего 6 коммутатора квантов тока I₀, а второй 2 источник входного логического сигнала связан с управляющим входом четвертого 7 входного коммутатора квантов тока I₀.

Вариант построения первого 8 и второго 11 токовых зеркал, представленный на чертеже фиг.3, содержит транзисторы 24, 25 и 26.

Практическая реализация второго 20 и третьего 21 дополнительных токовых зеркал (чертежи фиг.4, фиг.5) содержит транзисторы 27 и 28 (фиг.4), а также транзисторы 32, 33, 34 (фиг.5).

Схема первого 14 дополнительного токового зеркала, показанная на чертеже фиг.6, содержит транзисторы 29, 30, 31.

Представленный на чертеже фиг.7 фрагмент практической реализации коммутаторов квантов тока 3, 4, 6, 7 содержит транзисторы 35, 36 и p-n переход 37.

Показанный на чертеже фиг.8 вариант построения коммутаторов квантов тока 3, 4, 6, 7 содержит транзисторы 38, 39, источник опорного тока 40 и вспомогательный источник напряжения 41.

Рассмотрим работу предлагаемой схемы ЛЭ фиг.2.

Синтез логической функции «2-И» производится на основе ее многозначного аналога, описываемого выражением

$$x_1{\text{\&x}}_{\text{2}}=\min (x_1,x_2)|{}_{k=2}=\frac{\left|x_1+x_2\right|-\left|x_1-x_2\right|}{2},\text{ (1)}$$

где k - значность логики, x₁, x₂ - входные логические сигналы.

Входной токовый сигнал x₁ формируется из потенциального входного сигнала x₁ с помощью коммутаторов квантов тока 3 и 6 на выходах 10, 16 и 17. Аналогично, входной токовый сигнал x₂ формируется из потенциального входного сигнала x₂ с помощью коммутаторов квантов тока 4 и 7 на выходах 12, 14 и 18.

При разомкнутом состоянии ключей S выходы коммутаторов тока 3, 4, 6 и 7 отключены от источников опорного тока I₀. При замкнутом состоянии ключей кванты тока поступают на входы токовых зеркал 8 и 11.

Реализация модуля суммы, соответствующей выражению (1), производится монтажным сложением токовых сигналов с выходов 17 и 18 токовых зеркал 3 и 7. Она может быть равна «0» (отсутствие обоих квантов тока), «1» (наличие одного из квантов тока) или «2» (наличие обоих квантов тока). С помощью токового зеркала 19 эта сумма представляется отсутствием, либо одним или двумя квантами вытекающего тока.

Модуль разности в выражении (1) реализуется формированием разностных сигналов (x₂-x₁) и (x₁-x₂), поступающих с выходов 10 и 14 коммутаторов тока 3 и 4 на входы токового зеркала 8 и с выходов 12 и 16 коммутаторов тока 4 и 6 на входы токового зеркала 11. При одинаковых значениях сигналов значения выходных квантов тока токовых зеркал 8 и 11 равны «0», при разных значениях - на выходе одного из токовых зеркал 8 или 11 формируется квант тока 10. Монтажная сумма эти разностей, равная «0» или кванту тока 10, поступает на вход токового зеркала 20, с помощью которого она представляется в виде «втекающего» кванта тока I₀.

Разность модулей суммы и разности в выражении (1) реализуется монтажным объединением квантов токов с выходов зеркал 19 и 20. Токовое зеркало 21 производит деление на «2» полученной разности квантов тока. Результат реализации выражения (1) поступает на вход токового зеркала 21, с выхода 22 которого снимается выходной сигнал устройства.

Резистор 23 служит для наблюдения выходного сигнала в процессе моделирования.

Как видно из приведенного описания, реализация логической функции «2-И» здесь производится формированием алгебраической суммы квантов тока и выделением определенных значений этой суммы токов. Все элементы приведенной схемы работают в активном режиме, предполагающем отсутствие насыщения в процессе переключений, что повышает общее быстродействие схемы. Кроме того, использование многозначного внутреннего представления сигналов повышает информативность линий связи, что уменьшает их количество. Использование стабильных значений квантов тока, а также определение выходного сигнала разностью этих токов обеспечивает малую зависимость функционирования схемы от внешних дестабилизирующих факторов (девиация питающего напряжения, радиационное и температурное воздействия, синфазная помеха и др.).

Показанные на чертежах фиг.10, фиг.11, фиг.12 результаты моделирования подтверждают указанные свойства заявляемых схем.

Таким образом, рассмотренные схемотехнические решения логического элемента «2-И» характеризуются многозначным состоянием внутренних сигналов и двоичным представлением сигнала на его токовом выходе и могут быть положены в основу вычислительных и управляющих устройств, использующих многозначную линейную алгебру, частным случаем которой является булева алгебра.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Авторское свидетельство СССР SU 892729

2. Патентная заявка WO 2004/112247

3. Патент US 4.001.603

4. Патент US 4.359.653

5. Патент US 6.157.693, фиг.5

6. Патент US 5.216.295

7. Патент US 3.758.791, фиг.5

8. Патент US 4.593.211

9. Патент US 4.347.446

10. Патент US 4.516.039, фиг.5

11. Патент US 4.970.416

12. Патент US 4.605.871, фиг.2

13. Малюгин В. Д. Реализация булевых функций арифметическими полиномами. // Автоматика и телемеханика, 1982. №4. С.84-93.

14. Чернов Н.И. Основы теории логического синтеза цифровых структур над полем вещественных чисел. // Монография. - Таганрог: ТРТУ, 2001. - 147 с.

15. Чернов Н.И. Линейный синтез цифровых структур АСОИУ. // Учебное пособие Таганрог.- ТРТУ, 2004 г., 118 с.

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики и может использоваться в различных цифровых структурах и системах автоматического управления, передачи информации. Техническим результатом является повышение быстродействия и создание элементной базы вычислительных устройств, работающих на принципах многозначной линейной алгебры. Устройство содержит источники входных логических сигналов, коммутаторы квантов тока I₀, согласованные с первой шиной источника питания, токовые зеркала, вторая шина источника питания. 12 ил.

Логический элемент «И» с многозначным внутренним представлением сигналов, содержащий первый (1) и второй (2) источники входных логических сигналов, управляющих состоянием соответствующих первого (3) и второго (4) коммутаторов квантов тока I₀, согласованных с первой (5) шиной источника питания, третий (6) и четвертый (7) коммутаторы квантов тока I₀, согласованные с первой (5) шиной источника питания, первый (8) аналоговый повторитель сигналов, согласованный со второй (9) шиной источника питания, вход которого соединен с первым (10) токовым выходом первого (3) коммутатора квантов тока I₀, второй (11) аналоговый повторитель сигналов, согласованный со второй (9) шиной источника питания, вход которого соединен с первым (12) токовым выходом второго (4) коммутатора квантов тока I₀, причем выходы первого (8) и второго (11) аналоговых повторителей сигналов соединены друг с другом, отличающийся тем, что в качестве первого (8) аналогового повторителя сигналов используется токовое зеркало с дополнительным неинвертирующим входом (13), который соединен со вторым (14) токовым выходом второго (4) коммутатора кванта тока, в качестве второго (11) аналогового повторителя сигналов используется токовое зеркало с дополнительным неинвертирующим входом (15), который соединен с токовым выходом (16) третьего (6) коммутатора кванта тока I₀, второй (17) токовый выход первого (3) коммутатора кванта тока I₀ соединен с токовым выходом (18) четвертого (7) коммутатора кванта тока I₀ и подключен ко входу первого (19) дополнительного токового зеркала, согласованного со второй (9) шиной источника питания, объединенные токовые выходы первого (8) и второго (9) токовых зеркал связаны со входом второго (20) дополнительного токового зеркала, выход которого соединен с выходом первого (19) дополнительного токового зеркала и входом третьего (21) дополнительного токового зеркала, токовый выход которого (22) является токовым выходом устройства, причем первый (1) источник входного логического сигнала связан с управляющим входом третьего (6) коммутатора квантов тока I₀, а второй (2) источник входного логического сигнала связан с управляющим входом четвертого (7) входного коммутатора квантов тока I₀.