Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с микросхемами логических элементов.

ЗАДАНИЕ

Ознакомление с микросхемами и изучение режимов работы:

а) логических элементов НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ;

б) триггера;

в) цифрового счетчика импульсов;

г) регистра.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В цифровых устройствах используются два вида сигналов:

1 Ступенчатое напряжение двух уровней (рис. 84), высокому напряжению U (потенциалу) приписывается информационное значение 1, низкому напряжению U – значение 0.

2 Прямоугольные импульсы напряжения (рис. 85), наличию импульса соответствует 1, отсутствию – 0.

Рис. 84

Рис. 85 Рис. 86

В этом случае входные X и выходные Y сигналы логических схем (рис. 86) являются двоичными сигналами. Они представляются сочетаниями 1 и 0.

Логические схемы выполняют определенные логические операции (функции) с входными сигналами и результаты этих операций отражают на выходе.

К логическим преобразованиям двоичных сигналов относятся три элементарные операции:

1 Логическое сложение (дизъюнкция) – операция ИЛИ:

;

2 Логическое умножение (конъюнкция) – операция И:

;

3 Логическое отрицание (инверсия) – операция НЕ:

.

Правила выполнения основных логических функций с двумя двоичными переменными X₁, X₂ таковы:

Инверсия			Конъюнкция					Дизъюнкция
Х			Х1	Х2				Х1		Х2
0	1
			0	0	0			0		0	0
1	0
			0	1	0			0		1	1
			1	0	0			1		0	1
			1	1	1			1		1	1

Логические функции реализуются в логических элементах, которые создают на базе электронных устройств – диодов, транзисторов, микросхем. В цифровой микросхеме логические операции осуществляются с помощью логических элементов.

В начале развития микроэлектроники микросхема содержала обычно один логический элемент. На рис. 88 показан элемент, относящийся к устройствам резистивно-транзисторной логики (РТЛ). Основными элементами таких устройств являются резисторы и транзисторы. На рис. 89 изображен элемент диодно-транзисторной логики (ДТЛ).

С течением времени импульсные параметра микросхем РТЛ и ДТЛ оказались недостаточными. Для улучшения таких параметров микросхем как быстродействие, помехоустойчивость, экономичность были разработаны новые принципиальные схемы логических элементов, образовавших класс устройств транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) с использованием многоэмиттерных транзисторов (рис. 90).

Среди простых микросхем ТТЛ преобладают приборы с логикой И, . Число микросхем с логикой ИЛИ существенно меньше.

Элемент инверсии или отрицания – элемент не

Элемент НЕ выполняет функцию инверсии входного сигнала (рис. 87).

Х
0	1
1	0

Рис. 87

На рис. 88 изображена микросхема НЕ, реализующая функцию НЕ при использовании одного входа.

Рис. 88

Пусть на вход X1 элемента (рис. 88) подается напряжение высокого уровня, соответствующее сигналу 1:

.=˙.

Тогда по входной цепи ( + U_ИП , R1, переход база – эмиттер, ) течет ток базы, приводящий транзисторVT1 в режим насыщения. При этом ток коллектора I_К велик, а напряжение коллектора U_К, являющееся выходным напряжением U_Y , мало (близко к нулю), что соответствует сигналу 0:

.=˙.

При подаче на вход X1 низкого напряжения

.=˙

транзистор VT1 закрывается (), так как ток базыI_Б мал (). Напряжение на выходе схемы в этом случае велико:

.=˙.

Таким образом, данная схема является инвертором для каждого входа.

В микросхеме НЕ (рис. 89) отсутствуют входные резисторы, снижающие время включения схемы. Они заменены диодами VD1, VD2, VD3.

Рис. 89

Как инвертор схема (рис. 89) работает следующим образом:

– при подаче на вход X1 напряжения низкого уровня

.=˙

открывается диод VD1, вследствие чего понижается напряжение в точке К и уменьшается ток базы транзистора VT1. Транзистор закрывается, напряжение выхода увеличивается до величины U_ИП :

.=˙;

– при подаче на вход X1 напряжения высокого уровня

.=˙

диод VD1 закрывается, напряжение в точке К увеличивается и растет ток базы транзистора VТ1. Транзистор VТ1 открывается, напряжение на выходе уменьшается практически до нуля:

.=˙.

Для улучшения электрических параметров рассмотренной микросхемы заменяют ячейку диодов VD1 – VD3 многоэмиттерным транзистором VT1 (рис. 90). Каждый n-p переход транзистора играет роль диода.

Рис. 90

При подаче на вход Х1 напряжения низкого уровня

.=˙

на участке база – эмиттер транзистора \/Т1 образуется цепь с малым сопротивлением (): +U_ИП , резистор R_Б1, база – эмиттер VТ1, ключ S1, .

В этом случае мало напряжение на участке база – коллектор транзистора VТ1 и транзистор VТ1 закрыт (). Напряжение на коллектореVТ1, являющееся напряжением базы транзистора VТ2, также мало () и оно закрывает транзисторVТ2.

Вследствие этого напряжение на выхода схемы велико:

.=˙.

При подаче на вход X1 напряжения высокого уровня

.=˙

закрывается переход база – эмиттер транзистора VТ1, так как отсутствует разность потенциалов на этом участке. Образуется цепь тока базы второго транзистора: + U_ИП , резистор R_Б1, база – эмиттер VТ2, .

Транзистор VТ2 открывается, переходя в режим насыщения. Напряжение на выходе схемы уменьшается:

.=˙.

Из рассмотренного следует, что многоэмиттерный транзистор VT1 не инвертирует уровень входного сигнала, роль инвертора играет транзистор VТ2.

На рис. 91 показана схема инвертора, имеющая двухтактный выходной каскад из n-p-n транзисторов VТ3 и VТ4.

Рис. 91

Для поочередного включения выходных транзисторов необходим промежуточный каскад, называемый расщепителем фазы входного сигнала и состоящий из транзистора VТ2, резисторов R2, R3. Расщепитель фаз имеет два выхода: коллекторный (К) и эмиттерный (Э), импульсы на которых находятся в противофазе. Выходные транзисторы включаются поочередно, создавая на выходе высокое или низкое напряжение. Диод VD1 защищает эмиттер транзистора VT1 от пробоя.

Пусть на вход Х схемы (рис. 8) подается напряжение низкого уровня. Ток коллектора транзистора VT1, являющийся током базы транзистора VТ2, при этом равен нулю и транзистор VТ2 закрыт. Поэтому отсутствует ток базы транзистора VТ4, транзистор VТ4 закрыт. При этом открывается транзистор VТ3. На выходе схемы создается высокое напряжение.

При подаче на вход Х напряжения высокого уровня появится ток базы I_Б2 и транзистор – фазорасщепитель VТ2 откроется. Часть его эмиттерного тока поступит на базу транзистора VТ4, и транзистор перейдет в состояние насыщения. При этом напряжение U_К4 транзистора уменьшится, т.е. напряжение на выходе схемы станет низким, близким к нулю.

Для микросхемы НЕ К155ЛН1 (рис. 92) приводятся основные параметры (табл. 19) и обозначение выводов цоколя микросхемы (рис. 93).

Рис. 92

Таблица 19

Параметр	Микросхема	Значение параметра
I0вых , мА	К155ЛН1	16
I1потр. , мА		33
I0потр., мА		15
tзд.р. , нс		22

I⁰_вых – стекающий выходной ток для одного инвертора при входном вас напряжении низкого уровня;

I¹_потр. – потребляемый ток микросхемы при максимальных уровнях напряжений на всех входах;

I⁰_потр. – потребляемый ток микросхемы при минимальных уровнях напряжений на всех входах;

t_зд.р – среднее время задержки распространения выходного сигнала для положительного и отрицательного фронта импульса (рис. 121).

Рис. 93

На основе данного инвертора созданы микросхемы серии 155, например И и ИЛИ.