Логические схемы с тремя состояниями.

Схема на рис. 3 имеет два состояния: логические 0 и 1. В каждом из этих состоя­ний выходное сопротивление схемы мало.

Третье состояние получается при подаче низкого напряжения на линию разрешения, при этом схема переходит в режим с высоким выходным сопротивлением. Следовательно, выход схемы Y оказывается изолированным.

Подача высокого потенциала на линию разрешения схема работает, как обычная схема И-НЕ.

Логические схемы с тремя состояниями позволяют соединять вместе выходы большого числа логических схем. Подачей разрешающего напряжения только на одну из схем ее фактически подключают к выходу. При этом выходы остальных схем благодаря высокому их выходному сопротивлению не оказывают никакого влияния.

Кроме схем И-НЕ широко применяются также схемы с тремя состояниями типа НЕ и ИЛИ-НЕ, управляемые разрешающими сигналами.

Схема с открытым коллектором

Если из схемы (рис.3) изъять резистор Rк, то получится упрощенная схема с открытым коллектором. Открытый коллектор данной схемы является ее выходом и подключается через резистор к источнику питания +Uп. В результате получается схема И-НЕ. Соединение выходов нескольких схем со свободным коллектором, подключенных к одному резистору, образует логическую схему, называемую Монтажным ИЛИ. Если входам двух схем, образую­щих схему Монтажное ИЛИ, придать индексы 1 и 2, то логическая функция схемы Монтажное ИЛИ описывается соотношением

Широко используется параллельное включение выходов большого числа схем со свободным коллектором. При этом коллекторный ток течет лишь в одной из схем, а остальные схемы имеют высокое выходное сопротивление и не нагружают выход.

Применение диодов Шотки. Все транзисторы в элементе И-НЕ с транзисторно-транзисторной логикой могут иметь диоды Шотки, подключаемые параллельно коллекторным переходам. Диоды Шотки отпираются при положительном смещении примерно 0,4 В. т. е. при напряжении, меньшем, чем это необходимо для отпирания коллекторного перехода. В результате применения диодов Шотки значительно повышается быстродействие логического элемента.

Эмиттерно-связанная логика

Р ассмотрим работу эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) на примере элемента 3ИЛИ-НЕ, схема которого представлена на рис.4. Иногда ЭСЛ называют эмиттерно-связанной транзисторной логикой (ЭСТЛ).

Рис. 4. ЭСЛ - элемент 3ИЛИ-НЕ

Он имеет три входа: A, В и С и два выхода; Y=A+В+С и = . По принципу действия ЭСЛ-элемент является переключателем тока. На транзисторах Т4 и Т5 выполнен дифференциальный каскад, генератор тока в котором заменен резистором Rэ, следовательно при переключении схемы значение эмиттерного тока не сохраняется. Другое отличие схемы в том, что в левом плече схемы вместо одного транзистора имеются три: T2,T3 и T4, включенных параллельно.

Логический элемент переходит из одного логического состояния в другое при подаче хотя бы на один из входов (А, В или С) напряжения 0,8 В. Это напряжение выше опорного на­пряжения на 0,4 В, что более чем достаточно для переключения схемы, переключающейся уже при 0,1 В. Для возвращения в пер­воначальное состояние подается более низкое напряжение = -1,5 В.

В схеме имеются два эмиттерных повторителя на транзисторах VT 1 и VT6. Они необходимы прежде всего для сдвига уровня выходного напряжения на 0,7—0,8 В. Этот сдвиг необходим для того, чтобы выходное напряжение схемы равнялось входному напряжению логического 0 или 1. В противном случае ЭСЛ- элементы нельзя включать последовательно. Перейдем к анализу работы элемента. На схеме указаны все сопротивления. Мы же их рассчитаем или выберем, предполагая заданными только U_on= —1,2 В; R_Э= 1 кОм; = -1,5 В; =-0,8 В.

Пусть на все входы A, B и С подано U_вх = —1,5 В. Так как это напряжение меньше опорного, то транзисторы T2—T4 заперты, а транзистор T5 открыт. Для быстродействия схемы транзистор T5 должен находиться в активном режиме. Для U_БЭ5=0,7 В, необходимо иметь U_э=-1,9 В. Отсюда при заданном R_э=1 кОм эмиттерный ток I_э5= (5—1,9)/1=3,1 мА. Считаем, что и коллекторный ток T5 имеет такое же значение.

Для активного режима VT5 его потенциал коллектора должен быть выше потенциала базы. При Rк=270 Ом и Iк=3,1 мА U_К5=—0,8 В. Это условие выполняется и при большем коллекторном сопротивлении, но оно выбрано именно таким, чтобы с учетом сдвига напряжения в эмиттерном повторителе на 0,7 В получить на выходе =—l,5 В.

Теперь предположим, что хотя бы на один из входов (A, В и С) подано напряжение =—0,8 В, большее, чем Uоп=-1,2 В. Транзистор VT5 при этом заперт. Напряжение на его коллекторе равно 0. Напряжение как на базе, так и на коллекторе VT6 равно нулю, и он действует как диод, смещенный в прямом направлении. Считая падение напряжения на таком диоде равным примерно 0,8 В, получаем =-0,8 В. Когда один из транзисторов T2—T4 открыт, напряжение на базе открытого транзистора U_Б= = —0,8 В. При активном режиме его работы напряжение на эмиттере ниже на 0,7 В. Следовательно, Uэ=—1,5 В. Эмиттерный ток открытого транзистора Iэ=(5—1,5)/1=3,5 мА. Эмиттерный ток при переключении схемы увеличился с 3,1 до 3,5 мА. Если бы вместо Rэ использовался генератор стабильного тока, то эмиттерный ток не изменился бы. Очевидно, что и коллекторный ток увеличивается на столько же. Поэтому, чтобы на инверсном выходе схемы получать такие же перепады напряжения, как и на неинверсном выходе, Rк уменьшено по сравнению с Rк5. Преимуществом ЭСЛ- элемента является высокое быстродействие. Время переключения схемы 1—6 нс. Недостатком является высокая средняя потребляемая мощность, вызывающая разогрев схемы. Это не позволяет обеспечить высокую степень интеграции, т.е. не позволяет создавать БИС эмиттерно-связанной логики.