4.2 Логические элементы или-не

Схемотехнически почти все ЛЭ, входящие в состав серий ТТЛ, могут быть образованы комбинированием двух базовых схем: элемента И-НЕ (рисунок 4.1) и расширителя по ИЛИ (рисунок 4.6, б). Схема логического элемента И-ИЛИ-НЕ (ИЛИ-НЕ) получается путем подключения параллельно ключевому транзистору VT2 дополнительных транзисторов, как показано на рисунке 4.6, а (половина ИС К155ЛР1). В результате имеем логический элемент 2И-2И-2ИЛИ, реализующий функцию y = . Причем, если входы х₁ и х₂, а также х3, х4 попарно перемкнуть, то получим двухвходовую схему ИЛИ. Если же на один из входов подать уровень лог.0, то схема реализует двухвходовую схему И-НЕ:

y = = .

Присоединением логического расширителя по ИЛИ (рисунок 4.6, б) можно расширить функциональные возможности логического элемента. Логический расширитель подключается к выводам К – Э транзистора VT2 основного ЛЭ. Для всех ТТЛ, имеющих возможность расширения по ИЛИ, максимальное число объединений равно восьми. При присоединении одного расширителя задержка распространения схемы увеличивается примерно на 5 нс, а потребляемая мощность – на 5 мВт.

Рисунок 4.6 – Логический элементы:

а − И-ИЛИ-НЕ; б − расширитель по ИЛИ

В составе серий 155, 133 имеются более сложные микросхемы структуры И-ИЛИ-НЕ: ЛР3 – логический элемент 2-2-2-3И – 4ИЛИ-НЕ с возможностью расширения по ИЛИ. Такие микросхемы обладают большой функциональной гибкостью. Кроме того, в составе этих серий имеются логические элементы типа ЛЕ, реализующие логическую функцию ИЛИ-НЕ. Например, К155ЛЕ1 содержит четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ, К155ЛЕ2  два логических элемента ИЛИ-НЕ со стробированием на одном элементе и возможностью расширения по ИЛИ на другом и другие.

4.3 Логические элементы с открытым коллектором и

тремя состояниями выхода

Физические параметры и функциональные возможности ЛЭ существенно зависят от схемы включения выходного каскада. На практике встречается пять основных видов выходных каскадов: со стандартным выходом, с открытым коллектором, с открытым эмиттером, с тремя состояниями выхода и с мощным выходным каскадом на выходе. Стандартные микросхемы имеют два состояния выхода: высокий уровень напряжения на выходе U¹_вых, когда открыт верхний транзистор и диод, а выходной ток I¹_вых небольшой (рисунок 4.1). Низкий уровень напряжения U⁰_вых, когда открыт нижний транзистор, который обеспечивает достаточно большой выходной ток I⁰_вых. Работают выходные каскады всегда в противофазе, причем вместо верхнего транзистора и диода может использоваться составной транзистор. ЛЭ со стандартным выходом имеет нагрузочную способность n = 10 (n = 20 для 555 серии, n = 33 для 1531 серии); такой же выходной каскад с повышенной нагрузочной способностью может иметь значения n до 300. Выходы некоторых микросхем выполнены так, что верхний транзистор и относящиеся к нему элементы отсутствуют. В качестве выходного каскада используется транзистор, выход которого не подключен к нагрузке (рисунок 4.7, а).

а − принципиальная схема с внешней нагрузкой; б − «монтажное И»; в − условное графическое изображение;  – открытый коллектор;  – монтажное соединение

Рисунок 4.7 – Логический элемент ТТЛ

Э ти транзисторы изготавливаются на разное допустимое напряжение питания: + 5, + 15, + 30, + 35 В и др. Выходы таких ЛЭ подключаются с помощью внешнего резистора и обеспечивают большой ток выхода I⁰_вых (втекающий в коллектор). Поэтому в выходную цепь транзистора можно включить элементы индикации, исполнительные механизмы, электромагнитные реле и т.д.Логические элементы с открытым коллектором допускают параллельное подключение нескольких выходов к общей нагрузке и реализацию с их помощью логических функций, называемых «монтажное ИЛИ» и «монтажное И». Выходное напряжение может принять уровень логической единицы только в том случае, если все выходные транзисторы закрыты:

.

Если хотя бы на одном выходе будет логический 0, то на выходе всей системы будет низкий потенциал. Для обозначения ЛЭ с открытым коллектором используют ромб с чертой снизу . Для обозначения псевдоэлемента «монтажное И, ИЛИ» рядом со знаком & или 1 ставится ромбик – . При использовании ЛЭ в режиме «монтажной логики» каждая МСХ теряет свою самостоятельность.

1. Логические элементы, выходные каскады которых выполнены с открытым эмиттером, отличаются тем, что эмиттер выходного каскада не подключен внутри ИС к общей шине, а оформлен в виде отдельного вывода, а на коллектор подано напряжение источника питания. Такие ЛЭ используются в интерфейсных устройствах (например, 559ИП4, 1102АП2 и др.) и работают как эмиттерные повторители. Они обеспечивают малое выходное сопротивление и большой ток выхода I¹_вых вытекающий из эмиттера. На условных изображениях схемы с открытым эмиттером обозначаются специальным значком (ромбик с черточкой сверху).

2. В интерфейсных устройствах используются выходные каскады, представляющие собой изолированные мощные транзисторы, электроды которых (эмиттер, коллектор, база) подключены к внешним выводам ИС. Выходные каскады с изолированными транзисторами используются в логических элементах типа передатчиков (155ЛП7, 1102АП5...) и обеспечивают выходной ток до 300 мА. На условных графических обозначениях ЛЭ с мощным выходом обозначается треугольником ( ).

3. Логические элементы с тремя состояниями выхода отличаются от стандартных микросхем тем, что могут переводиться в высокоимпедансное состояние – состояние Z, когда выход отключен от источника питания и от общей шины (рисунок 4.8). ЛЭ имеет встроенную цепь управления, содержащую транзисторы VT1,VT2,VT3, диод VD1 и имеет вход OE (Output Enable – разрешение выхода). При OE равном лог. 0 ЛЭ работает как устройство со стандартным выходом, так как на базе VT2 низкий уровень напряжения, транзистор VT3 и диод VD1 находятся в непроводящем состоянии. При OE равном лог 1 по цепи U_П – R1 – БЭ_VT2 – БЭ_VT3 протекает ток, транзистор VT3 входит в насыщение и диод VD1 оказывается подключенным к общей шине через транзистор VT3. В результате на коллекторе и базе транзистора VT5 устанавливается низкое напряжение и выходные каскады VT6, VT7 запираются, ток утечки этих транзисторов составляет 2040 мкА.

а − принципиальная схема; б − условное обозначение

Рисунок 4.8 – Логический элемент с тремя состояниями выхода

Выходы ИС с тремя состояниями можно объединять, что расширяет функциональные возможности MCX. Необходимо лишь обеспечить условие, чтобы в активном состоянии в данный момент находился лишь один выход.