Выход с тремя состояниями

Цифровые элементы с тремя состояниями выхода, кроме логических состояний нуля и единицы, имеют третье состояние «отключено» или Z-состояние, в котором ток выходной цепи крайне мал, что соответствует отключению выхода элемента от внешней нагрузки. В третье состояние элемент переводится специальным управляющим сигналом обеспечивающим запертое состояние обоих транзисторов выходного каскада (рисунок 16). При наличии разрешения элемент работает как обычно, выполняя свою логическую операцию, а при отсутствии разрешения переходит в третье состояние.

На рисунке 18 показан выходной каскад с третьим состоянием, используемый в схемотехнике КМОП.

Низкий уровень сигнала открывает транзисторы VT3 и VT4 и позволяет нормально работать инвертору на транзисторах VT1 и VT2, через который данные передаются на выход. При высоком уровне сигнала транзисторы VT3 и VT4 заперты, и выход Y находится в состоянии «отключено».

В цифровых устройствах широко используются буферные элементы с тремя состояниями выхода для управляемой передачи данных по различным линиям. Буферы могут быть инвертирующими или неинвертирующими, а сигналы OE – прямыми или инверсными. Выходы с тремя состояниями обозначают на УГО элементов значком треугольника (рисунок 18, б).

Рисунок 18 – Инвертор схемотехники КМОП с тремя состояниями выхода. Принципиальная схема (а) и условное графическое обозначение (б)

Выходы с тремя состояниями можно соединять параллельно при условии, что в любой момент активным может быть только один из них. В этом случае отключенные выходы не мешают активному элементу формировать сигналы в точке соединения выходов. Это позволяет использовать элементы с тремя состояниями выхода в магистрально-модульных микропроцессорных и иных системах для поочередной передачи информации от нескольких источников к приемнику по одной линии связи (шине). Следует отметить, что эту задачу в настоящее время часто решают с помощью мультиплексоров.

Выход с открытым коллектором (стоком)

Элементы с открытым коллектором (стоком) имеют выходную цепь, заканчивающуюся одиночным транзистором, коллектор (сток) которого не соединен с какими-либо цепями внутри ИС, т.е. верхний выходной транзистор VT1 отсутствует (рисунок 16). Следовательно, нижний транзистор VT2 имеет свободный или открытый коллектор (сток), который является выходом элемента (рисунок 19).

Этот транзистор управляется от предыдущей части схемы элемента так, что может находится в насыщенном (для МОП-транзистора просто открытом) или запертом состоянии. Насыщенное (открытое) состояние трактуется как отображение логического нуля, закрытое – единицы.

Насыщение транзистора в схеме с открытым коллектором обеспечивает на выходе элемента напряжение (малое напряжение насыщения «коллектор-эмиттер» ). Запирание транзистора какого-либо уровня напряжения на выходе элемента не задает, выход при этом имеет неизвестный «плавающий» потенциал, так как не подключен к каким-либо цепям. Поэтому для формирования высокого уровня напряжения при запирании транзистора на выходе элементов с открытым коллектором (стоком) требуется подключать внешние резисторы (или другие нагрузки), соединенные с источником питания (рисунок 19).

Рисунок 19 – Схемы выходов цифровых элементов с открытым коллектором (стоком) схемотехники ТТЛШ (а) и схемотехники КМОП (б)

Выходы элементов с открытым коллектором (стоком) можно соединять параллельно, подключая их к общему резистору (рисунок 20, а).

При этом можно получить режим поочередной работы элементов на общую линию, как и для элементов с тремя состояниями выхода, если активным будет лишь один элемент, а выходные транзисторы всех остальных элементов будут заперты. Если же разрешить активную работу всех элементов, выходы которых соединены, то можно получить дополнительную логическую операцию монтажной логики (монтажное И) над выходными сигналами логических элементов (рисунок 20, а).

Рисунок 20 – Схема реализации монтажной логики (а) и индикации уровня логической единицы (б) и уровня логического нуля (в) с помощью логических элементов с открытым коллектором (стоком)

При реализации монтажной логики высокий уровень на общем выходе Y возникает только при запирании выходных транзисторов всех логических элементах, так как насыщение хотя бы одного из них снижает выходное напряжение до уровня

Поскольку каждый элемент выполняет операцию

И-НЕ над своими входными аргументами, общий результат окажется следующим:

(33)

Таким образом, над входными аргументами выполняется логическая операция И-ИЛИ-НЕ.

В УГО элементов с открытым коллектором (стоком) ставится ромб с черточкой снизу (рисунок 20).

На рисунке 20, б и 20, в показана схема индикации уровня логической единицы и нуля соответственно с помощью светодиодного индикатора HG1. Роль ключевого элемента выполняет инвертор с открытым коллектором (стоком). В первой схеме замыкается цепь для прямого тока светодиода и диод зажигается, если выходной транзистор инвертора открыт (на входе схемы уровень логической единицы), а во второй – наоборот, если выходной транзистор закрыт (на входе схемы уровень логического нуля).

В схеме на рисунке 20, б через светодиод будет протекать ток следовательно, для его задания требуется выполнение условия В этом случае требуется управляющий элемент с достаточно большим выходным током в нулевом состоянии

В схеме на рисунке 20, в через светодиод проте- кает ток откуда следует Выходной ток управляющего элемента должен удовлетворять условию

Достоинством элементов с открытым коллектором (стоком) при работе в магистрально-модульных системах является их защищенность от повреждений из-за ошибок управления, приводящих к одновременной выдаче на общую шину нескольких слов, а также возможность реализации дополнительных логических операций монтажной логики.

Недостатком таких элементов является большая задержка переключения из состояния логического 0 в состояние логической 1 из-за медленного заряда выходной емкости малым током резистора R.

Во многих современных ИС используются выходные каскады с возможностью их программирования на работу в одном из двух вариантов: либо как каскада с открытым коллектором (стоком), либо как каскада с третьим состоянием [4].