13.3. Виды выходных каскадов ис

13.3.1. Выход с открытым коллектором

Обычно цифровые ИС имеют двухтактные выходные каскады (рис.  13 .4, а). Если соединить между собой выходы разных ЛЭ, то, когда в одном ЛЭ открытым окажется верхний, а в другом – нижний транзистор, в цепи потечет большой ток, опасный для выходных транзисторов. Поэтому выходы таких ИС нельзя объединять. Для расширения функциональных возможностей каждое семейство ИС, как правило, имеет ЛЭ, выходы которых выполнены так, что верхний выходной транзистор и относящиеся к нему элементы отсутствуют. В ТТЛ-схемах это так называемые ЛЭ со свободным (открытым) коллектором. КМОП – аналог таких схем ЛЭ с открытым стоком. Выходы с открытым коллектором должны всегда подключаться через резистор R_к к положительному полюсу источника питания (рис.  13 .4, б).

Рис. 13.4. Выходные каскады КМОП ИС: типовой (а); схема монтажного И (б);

подключение ИС с открытым коллектором к общей шине (в)

Выходной транзистор таких ИС может быть использован для управления внешними устройствами, которые к тому же могут работать от других источников питания. На резистор R_к может подаваться напряжение, превышающее напряжение питания ИС. Ограничением здесь является максимально допустимое напряжение пробоя выходного транзистора, которое может достигать 30 В и более.

Другое преимущество этих ИС состоит в том, что открытые коллекторы, подключенные к общему сопротивлению, образуют общую шину. При таком соединении, если на выходе одного или нескольких ЛЭ будет низкий потенциал, то тот же потенциал окажется на выходе всей системы (рис.  13 .4, б). Чтобы обеспечить высокий потенциал на общем выходе, необходимо его иметь на выходах всех ЛЭ. Такое соединение называют монтажной, или проводной, логикой. Схема (рис.  13 .4, б) согласно рассмотренному принципу работы соответствует таблице истинности ЛЭ И, поэтому она называется схемой монтажного И. Действительно, .

Для обеспечения требуемых уровней напряжений U⁰ ,U¹ на общей выходной шине (рис.  13 .4, в) необходимо корректно выбрать величину сопротивления R_к. При высоком уровне напряжения на шине через резистор R_к текут токи утечки I_к0 выходных транзисторов ИС DD1-DD3 и входные токи ИС DD4-DD6. Величина сопротивления этого резистора должна быть небольшой, чтобы уровень напряжения на шине не упал ниже допустимого высокого уровня входного напряжения последующих ИС DD4-DD6.

При низком уровне напряжения на шине в худшем случае открыт один транзистор. Величина сопротивления R_к должна быть достаточно большой, чтобы ток коллектора не достиг своего максимального значения . Также необходимо помнить, что через этот резистор протекают входные токи подключенных схем. Максимальное значение сопротивления R_к.max находят из условия обеспечения на шине требуемого :

,

где N_вых – число объединенных выходов ИС; N_вх – число подключенных к общей шине входов ИС.

Минимальное сопротивление R_к.min находят из условия обеспечения на шине требуемого :

.

Конкретные значение R_к.min ≤ R_к ≤ R_к.max выбирают из условия требуемого быстродействия при наименьшей потребляемой мощности. Максимальное быстродействие достигается, когда R_k близко к минимальному значению. С повышением R_k увеличивается время заряда паразитных емкостей и ёмкости нагрузки при выходном напряжение высокого уровня, то есть снижается быстродействие, зато уменьшается потребление тока при низком уровне напряжения.