Результат интеллектуальной деятельности: МНОГОЗНАЧНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ЦИКЛИЧЕСКОГО СДВИГА

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

В различных аналого-цифровых вычислительных и управляющих устройствах широко используются транзисторные каскады преобразования входных логических переменных (токов), реализованные на основе токовых зеркал [1-14]. Данные функциональные узлы используются, например, во входных каскадах операционных преобразователей сигналов с так называемой «токовой отрицательной обратной связью» [1-14], а также в качестве самостоятельных нелинейных преобразователей входных токов без цепей обратной связи [9], реализующих функцию логической обработки входных токовых переменных.

В работе [15], а также монографиях соавтора настоящей заявки [16-17] 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, представленный в патенте US 5.742.154, структура которого присутствует во многих других патентах [1-14]. Он содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 выходные транзисторы с объединенными базами, которые подключены к первому 5 источнику напряжения смещения, третий 6 и четвертый 7 выходные транзисторы другого типа проводимости с объединенными базами, которые подключены ко второму 8 источнику напряжения смещения, причем эмиттеры первого 3 и третьего 6 выходных транзисторов объединены, а эмиттеры второго 4 и четвертого 7 выходных транзисторов связаны друг с другом, первый 9 источник опорного тока, первое 10 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, второе 12 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, причем коллектор третьего 6 выходного транзистора соединен со входом первого 10 токового зеркала, третье 13 токовое зеркало, согласованное со второй 14 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не реализует функцию циклического сдвига многозначной входной переменной (x₁), соответствующей многоуровневым значениям входного тока I_in. Это не позволяет на его основе создать полный базис средств вычислительной техники, функционирующих на принципах преобразования многозначных токовых сигналов.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании логического элемента, обеспечивающего циклический сдвиг многозначной входной логической переменной (x₁), в котором внутреннее преобразование информации производится в многозначной токовой форме сигналов. В конечном итоге это позволяет повысить быстродействие устройств преобразования информации и создать элементную базу вычислительных устройств, работающих на принципах многозначной линейной алгебры [16-17].

Поставленная задача решается тем, что в известном логическом элементе (фиг.1), содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 выходные транзисторы с объединенными базами, которые подключены к первому 5 источнику напряжения смещения, третий 6 и четвертый 7 выходные транзисторы другого типа проводимости с объединенными базами, которые подключены ко второму 8 источнику напряжения смещения, причем эмиттеры первого 3 и третьего 6 выходных транзисторов объединены, а эмиттеры второго 4 и четвертого 7 выходных транзисторов связаны друг с другом, первый 9 источник опорного тока, первое 10 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, второе 12 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, причем коллектор третьего 6 выходного транзистора соединен со входом первого 10 токового зеркала, третье 13 токовое зеркало, согласованное со второй 14 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - третье 13 токовое зеркало содержит первый 15 и второй 16 токовые выходы, вход третьего 13 токового зеркала соединен со входом 1 устройства, первый 15 токовый выход третьего 13 токового зеркала подключен к объединенным эмиттерами первого 3 и третьего 6 выходных транзисторов и через дополнительный источник опорного тока 17 связан со второй 11 шиной источника питания, коллекторы первого 3 и второго 4 выходных транзисторов соединены со второй 14 шиной источника питания, токовый выход второго 12 токового зеркала связан с выходом устройства 2, коллектор четвертого 7 выходного транзистора подключен ко входу второго 12 токового зеркала, коллектор третьего 6 выходного транзистора подключен ко входу первого 10 токового зеркала, выход первого 10 токового зеркала соединен с объединенными эмиттерами второго 4 и третьего 7 выходных транзисторов и через первый 9 источник опорного тока связан со второй 14 шиной источника питания, второй 16 токовый выход третьего 13 токового зеркала подключен к токовому выходу первого 10 токового зеркала.

Схема известного устройства показана на фиг.1.

На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.3 приведена схема исследованного в среде MC9 заявляемого устройства фиг.2 с конкретным выполнением его функциональных узлов 10, 12, 13 на биполярных транзисторах.

На фиг.4 приведены результаты компьютерного моделирования схемы фиг.3 для случая, когда входная многозначная переменная (x₁) имеет три уровня токов.

На фиг.5 приведена схема фиг.3 в среде Cadence на моделях транзисторов по технологии Zarlink HJV.

На фиг.6 приведены результаты компьютерного моделирования схемы фиг.5 в среде Cadence на моделях транзисторов по технологии Zarlink HJV.

Многозначный логический элемент циклического сдвига фиг.2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 выходные транзисторы с объединенными базами, которые подключены к первому 5 источнику напряжения смещения, третий 6 и четвертый 7 выходные транзисторы другого типа проводимости с объединенными базами, которые подключены ко второму 8 источнику напряжения смещения, причем эмиттеры первого 3 и третьего 6 выходных транзисторов объединены, а эмиттеры второго 4 и четвертого 7 выходных транзисторов связаны друг с другом, первый 9 источник опорного тока, первое 10 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, второе 12 токовое зеркало, согласованное с первой 11 шиной источника питания, причем коллектор третьего 6 выходного транзистора соединен со входом первого 10 токового зеркала, третье 13 токовое зеркало, согласованное со второй 14 шиной источника питания. Третье 13 токовое зеркало содержит первый 15 и второй 16 токовые выходы, вход третьего 13 токового зеркала соединен со входом 1 устройства, первый 15 токовый выход третьего 13 токового зеркала подключен к объединенным эмиттерам первого 3 и третьего 6 выходных транзисторов и через дополнительный источник опорного тока 17 связан со второй 11 шиной источника питания, коллекторы первого 3 и второго 4 выходных транзисторов соединены со второй 14 шиной источника питания, токовый выход второго 12 токового зеркала связан с выходом устройства 2, коллектор четвертого 7 выходного транзистора подключен ко входу второго 12 токового зеркала, коллектор третьего 6 выходного транзистора подключен ко входу первого 10 токового зеркала, выход первого 10 токового зеркала соединен с объединенными эмиттерами второго 4 и третьего 7 выходных транзисторов и через первый 9 источник опорного тока связан со второй 14 шиной источника питания, второй 16 токовый выход третьего 13 токового зеркала подключен к токовому выходу первого 10 токового зеркала. Двухполюсник 18 моделирует свойства нагрузки заявляемого логического элемента.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коэффициент передачи по току второго 12 токового зеркала близок к трем единицам.

Рассмотрим работу устройства фиг.2, которое выполняет логическую операцию циклического сложения (сложения по модулю k) k-значной входной переменной с единицей (k=1, 2,…). Операция циклического сложения может быть описана выражением

где k - значность логики, которая определяется как арифметическая сумма двух слагаемых «x» и «1» за вычетом k в случае, когда эта сумма превышает значность логики. Конкретное значение k определяется назначением устройства. Например, для двоичной переменной (k=2) получим выражение:

При k=3 выражение (1) приобретает вид:

и т.д.

Рассмотрим далее работу устройства фиг.2 при k=3.

Входная переменная «x» в виде кванта втекающего тока поступает на вход 1 устройства и далее - на вход третьего токового зеркала 13. С помощью третьего токового зеркала 13 входной втекающий квант тока x преобразуется в квант вытекающего тока, размножается и поступает на выходы 15 и 16 этого токового зеркала.

Слагаемое 3(x÷1) реализуется следующим образом.

Из кванта вытекающего тока с выхода 15 третьего токового зеркала 13 вычитается квант втекающего тока дополнительного источника опорного тока 17. Разностный ток поступает на объединенные эмиттеры первого 3 и третьего 6 выходных транзисторов. Режимы работы этих транзисторов задаются значениями напряжений первого 5 и второго 8 источников напряжения смещения и обеспечивают предотвращение насыщения транзисторов дополнительного источника опорного тока 17 и первого токового зеркала 10. Разностный сигнал с коллектора третьего выходного транзистора 6 в виде кванта втекающего тока подается на первое токовое зеркало 10, где преобразуется в равный ему квант вытекающего тока.

Реализация алгебраического суммирования слагаемых в соответствии с приведенным выше выражением производится монтажным объединением вытекающего тока с выхода 16 третьего токового зеркала 13, вытекающего тока первого источника тока 9 и втекающего тока с выхода первого токового зеркала 10. Разностный ток поступает на объединенные эмиттеры второго 4 и четвертого 7 выходных транзисторов. Режимы работы этих транзисторов задаются значениями напряжений первого 5 и второго 8 источников напряжения смещения и обеспечивают предотвращение насыщения транзисторов второго токового зеркала 12. Разностный сигнал с коллектора четвертого выходного транзистора 7 в виде кванта вытекающего тока подается на второе токовое зеркало 12, где преобразуется в равный ему квант втекающего тока и подается на выход устройства 2.

Показанные на фиг.4 и 6 результаты моделирования подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.

Таким образом, рассмотренное схемотехническое решение многозначного логического элемента циклического сдвига входной многозначной логической переменной x₁ характеризуется многозначным состоянием внутренних сигналов и сигналов на его токовых входах и выходах, что может быть положено в основу вычислительных и управляющих устройств, использующих многозначную линейную алгебру, частным случаем которой является булева алгебра.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 8.159.304, fig.5

2. Патент US №5.977.829, fig.1

3. Патент US №5.789.982, fig.2

4. Патент US №5.140.282

5. Патент US №6.624.701, fig.4

6. Патент US №6.529.078

7. Патент US №5.734.294

8. Патент US №5.557.220

9. Патент US №6.624.701

10. Патент RU №2319296

11. Патент RU №2436224

12. Патент RU №2319296

13. Патент RU №2321157

14. Патент RU №2383099

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

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

17. Чернов Н.И. Линейный синтез цифровых структур АСОИУ» // Учебное пособие. Таганрог: ТРТУ, 2004 г., 118 с.