ТОКОВЫЙ ПОРОГОВЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ОБРАТНОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО СДВИГА
CURRENT THRESHOLD LOGIC ELEMENT OF REVERSE CYCLIC SHIFT

1
Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики, связи и может использоваться в различных цифровых структурах и системах автоматического управления, передачи цифровой информации. Техническим результатом является создание токового порогового логического элемента, обеспечивающего обратный циклический сдвиг троичной входной логической переменной (x), в котором внутреннее преобразование информации производится в многозначной токовой форме сигналов, что позволяет повысить быстродействие устройств преобразования информации. Устройство содержит три токовых зеркала, три источника опорного тока, три источника напряжения смещения, четыре транзистора.
В различных аналого-цифровых вычислительных и управляющих устройствах широко используются транзисторные каскады преобразования входных логических переменных (токов), реализованные на основе токовых зеркал [1-15]. Данные функциональные узлы используются, например, во входных каскадах операционных преобразователей сигналов с так называемой «токовой отрицательной обратной связью» [1-13], а также в качестве самостоятельных нелинейных преобразователей входных токов без цепей обратной связи [6, 15], реализующих функцию логической обработки входных токовых переменных.
В работе [16], а также монографиях соавтора настоящей заявки [17-18] 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 патент RU 2554557 («Многозначный логический элемент обратного циклического сдвига», МПК H03K 19/0175, 2015г.), Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 вспомогательный транзистор, база которого подключена к первому 4 источнику напряжения смещения, второй 5 вспомогательный транзистор другого типа проводимости, база которого подключена ко второму 6 источнику напряжения смещения, эмиттеры первого 3 и второго 5 вспомогательных транзисторов объединены, первое 7 токовое зеркало, согласованное с первой 8 шиной источника питания, второе 9 токовое зеркало, согласованное с первой 8 шиной источника питания, третье 10 токовое зеркало, согласованное со второй 11 шиной источника питания, первый 12 источник опорного тока, выход 13 первого 7 токового зеркала соединён с выходом второго 9 токового зеркала и подключен ко входу третьего 10 токового зеркала, выход третьего 10 токового зеркала подключен к выходу 2 устройства.
1
1
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не реализует пороговую функцию обратного циклического сдвига многозначной входной переменной (х), соответствующей многоуровневым значениям входного тока I. Это не позволяет на его основе создать полный базис средств вычислительной техники, функционирующих на принципах преобразования многозначных токовых сигналов. В первую очередь это связано с тем, что известная схема имеет погрешности преобразования сигналов, происходящие на каждой операции, эти погрешности суммируются в выходном сигнале и могут приводить к заметным общим отклонениям от уровней опорных сигналов. Применение пороговых функций и соответствующих им пороговых  элементов обеспечивает, кроме реализации заданной логической функции, масштабирование и нормализацию уровней выходных сигналов и тем самым устраняет все погрешности сигналов, возникающие до порогового элемента.
1
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании токового порогового логического элемента, обеспечивающего обратный циклический сдвиг троичной входной логической переменной (х), 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 [17-18].
Поставленная задача решается тем, что в известном логическом элементе фиг.1 содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 вспомогательный транзистор, база которого подключена к первому 4 источнику напряжения смещения, второй 5 вспомогательный транзистор другого типа проводимости, база которого подключена ко второму 6 источнику напряжения смещения, эмиттеры первого 3 и второго 5 вспомогательных транзисторов объединены, первое 7 токовое зеркало, согласованное с первой 8 шиной источника питания, второе 9 токовое зеркало, согласованное с первой 8 шиной источника питания, третье 10 токовое зеркало, согласованное со второй 11 шиной источника питания, первый 12 источник опорного тока, выход 13 первого 7 токового зеркала соединён с выходом второго 9 токового зеркала и подключен ко входу третьего 10 токового зеркала, выход третьего 10 токового зеркала подключен к выходу 2 устройства, предусмотрены новые элементы и связи – первое 7 токовое зеркало содержит дополнительный 14 выход, в схему введены дополнительный 14 выход первого 7 токового зеркала, первый 15 и второй 16 дополнительные транзисторы, дополнительный 17 источник напряжения смещения, первый 18 и второй 19 дополнительные источники опорного тока, вход 1 устройства подключен ко входу первого 7 токового зеркала, дополнительный 14 выход первого 7 токового зеркала соединён с объединёнными эмиттерами первого 3 и второго 5 вспомогательных транзисторов и подключен ко второй 11 шине источника питания через первый 12 источник опорного тока, коллектор первого 3 вспомогательного транзистора согласован с первой 8 шиной источника питания, коллектор второго 5 вспомогательного транзистора связан со второй 11 шиной источника питания, база первого 15 дополнительного транзистора подключена к объединённым эмиттерам первого 3 и второго 5 вспомогательных транзисторов, причём его коллектор согласован с первой 8 шиной источника питания, база второго 16 дополнительного транзистора подключена к дополнительному 17 источнику напряжения смещения, а его коллектор связан с входом второго 9 токового зеркала,  объединённые эмиттеры первого 15 и второго 16 дополнительных транзисторов связаны со второй 11 шиной питания через первый 18 дополнительный источник опорного тока, вход третьего 10 токового зеркал связан со второй 11 шиной источника питания через второй 19 дополнительный источник опорного тока.
На чертеже фиг. 1 показана схема прототипа, а на чертеже фиг. 2 –схема заявляемого токового порогового логического элемента обратного циклического сдвига на биполярных транзисторах в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого токового порогового логического элемента обратного циклического сдвига на полевых транзисторах в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 4 показана схема заявляемого устройства фиг. 3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях полевых транзисторов XB06.
На чертеже фиг. 5 приведены осциллограммы входных и выходных сигналов схемы заявляемого токового порогового логического элемента обратного циклического сдвига фиг. 4.
Токовый пороговый логический элемент обратного циклического сдвига фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 вспомогательный транзистор, база которого подключена к первому 4 источнику напряжения смещения, второй 5 вспомогательный транзистор другого типа проводимости, база которого подключена ко второму 6 источнику напряжения смещения, эмиттеры первого 3 и второго 5 вспомогательных транзисторов объединены, первое 7 токовое зеркало, согласованное с первой 8 шиной источника питания, второе 9 токовое зеркало, согласованное с первой 8 шиной источника питания, третье 10 токовое зеркало, согласованное со второй 11 шиной источника питания, первый 12 источник опорного тока, выход 13 первого 7 токового зеркала соединён с выходом второго 9 токового зеркала и подключен ко входу третьего 10 токового зеркала, выход третьего 10 токового зеркала подключен к выходу 2 устройства. Первое 7 токовое зеркало содержит дополнительный 14 выход, в схему введены первый 15 и второй 16 дополнительные транзисторы, дополнительный 17 источник напряжения смещения, первый 18 и второй 19 дополнительные источники опорного тока, вход 1 устройства подключен ко входу первого 7 токового зеркала, дополнительный 14 выход первого 7 токового зеркала соединён с объединёнными эмиттерами первого 3 и второго 5 вспомогательных транзисторов и подключен ко второй 11 шине источника питания через первый 12 источник опорного тока, коллектор первого 3 вспомогательного транзистора согласован с первой 8 шиной источника питания, коллектор второго 5 вспомогательного транзистора связан со второй 11 шиной источника питания, база первого 15 дополнительного транзистора подключена к объединённым эмиттерам первого 3 и второго 5 вспомогательных транзисторов, причём его коллектор согласован с первой 8 шиной источника питания, база второго 16 дополнительного транзистора подключена к дополнительному 17 источнику напряжения смещения, а его коллектор связан с входом второго 9 токового зеркала,  объединённые эмиттеры первого 15 и второго 16 дополнительных транзисторов связаны со второй 11 шиной питания через первый 18 дополнительный источник опорного тока, вход третьего 10 токового зеркал связан со второй 11 шиной источника питания через второй 19 дополнительный источник опорного тока.
Кроме того, на чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, в качестве первого 3 и второго 4 вспомогательных транзисторов, а также первого 15 и второго 16 дополнительных транзисторов используются полевые транзисторы, причём исток каждого из полевых транзисторов соответствует эмиттеру, затвор – базе, а сток – коллектору биполярного транзистора [19].
Рассмотрим работу токового порогового логического элемента обратного циклического сдвига, представленного на чертеже фиг. 2, который  выполняет операцию циклического сдвига с применением порогового элемента. Операции преобразования сигналов могут быть записаны в виде:
y = x-1+2(x<0,5).                                                  (1)
Этому выражению соответствует следующая таблица истинности:
x
0
1
2
y
2
0
1
Входная переменная «x» в виде кванта втекающего тока поступает на вход 1 устройства и далее – на вход первого 7 токового зеркала.
Слагаемое 2(x<0,5) реализуется следующим образом.
0
Из кванта вытекающего тока с дополнительного 14 выхода первого 7 токового зеркала вычитается 0,5 кванта втекающего тока первого 12 источника опорного тока. Разностный ток поступает на объединенные эмиттеры первого 3 и второго 5 вспомогательных транзисторов, а также в базу первого 15 дополнительного транзистора. Режимы работы первого 3 и второго 5 вспомогательных транзисторов задаются значениями напряжений первого 4 и второго 6 источников напряжения смещения и обеспечивают предотвращение насыщения транзисторов первого 12 источника опорного тока. Первый 15 и второй 16 дополнительные  транзисторы образуют дифференциальный каскад (ДК), переключение коллекторных токов этих транзисторов определяется сигналом, поступающим на базу первого 15 дополнительного транзистора. ДК в данном случае выполняет функции порогового элемента, выполняя сравнение переменной  x-1 c пороговым уровнем 0,5. Выбор такого порогового уровня обеспечивает независимость результатов преобразования сигналов от погрешностей преобразования в пределах 0,5 кванта тока I. Разностный сигнал с дополнительного 14 выхода первого 7 токового зеркала и первого 12 источника опорного тока передаётся в базу первого 15 дополнительного транзистора и управляет переключением удвоенного вытекающего тока первого 18 дополнительного источника тока в ДК. При отрицательной разности сигналов x-0,5 ток первого 18 дополнительного источника тока через коллектор второго 16 дополнительного транзистора в виде кванта тока подается на вход второго 9 токового зеркала, где преобразуется в равный ему втекающий ток.
Реализация алгебраического суммирования слагаемых в соответствии с приведенным выше выражением производится монтажным объединением вытекающего тока с выхода 13 первого 7 токового зеркала и выходного тока второго 9 токового зеркала. Из объединённых сигналов вычитается  ток второго 19 дополнительного источника опорного тока и передаётся на третье 10 токовое зеркало, где преобразуется в равный ему сигнал втекающего тока и подается на выход 2 устройства.
В схеме на фиг. 3 двухполюсник 20служит для обнаружения наличия кванта тока в выходной цепи в процессе экспериментальных исследований.
Показанные на фиг. 5 результаты моделирования подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.
Таким образом, рассмотренное схемотехническое решение порогового логического элемента обратного циклического сдвига 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 RU 2554557, 2015 г.
2. Патент US 8.159.304, fig. 5, 2012 г
3. Патент US № 5.977.829, fig. 1, 1999 г.
4. Патент US № 5.789.982, fig. 2, 1998 г.
5. Патент US № 5.140.282, 1992 г.
6. Патент US № 6.624.701, fig. 4, 2003 г.
7. Патент US № 6.529.078, 2003 г.
8. Патент US № 5.734.294, 1998 г.
9. Патент US № 5.557.220, 1996 г.
10. Патент RU № 2319296, 2008 г.
11. Патент RU № 2436224, 2011 г.
12. Патент RU № 2319296, 2008 г.
13. Патент RU № 2321157, 2008 г.
14. Патент RU № 2383099, 2010 г.
15.  Патент US 6.556.075 fig.2,  fig.6, 2003 г.
16.  Малюгин В. Д. Реализация булевых функций арифметическими полиномами // Автоматика и телемеханика, 1982. № 4. С. 84-93.
17.  Чернов Н.И. Основы теории логического синтеза цифровых структур над полем вещественных чисел // Монография. – Таганрог: ТРТУ, 2001. – 147с.
18.  Чернов Н.И. Линейный синтез цифровых структур АСОИУ» // Учебное пособие Таганрог. – ТРТУ, 2004г., 118с.
19.    Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ 2014. - с. 126.