цифровые устройства / лекции / 06_ЦУ_ЛЭ_Часть 2_2025
.pdfТранзисторно-транзисторная логика
Транзисторно-транзисторные логические элементы (ТТЛ) широко распространены в технике. Характеризуются сравнительно высоким быстродействием, умеренным энергопотреблением и высокой помехоустойчивостью, малые входными и большими выходными токами. Они хорошо работают на емкостную нагрузку, т.к. перезарядка конденсаторов осуществляется через низкоомную цепь.
В основе схемотехники элементов – насыщенные ключи на биполярных транзисторах.
Транзисторно-транзисторные логические элементы с транзисторами Шоттки (ТТЛШ) отличаются от ТТЛ более высоким быстродействием (т.е. обладают меньшими временами переключения схем). В основе ТТЛШ - ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах, в цепи обратной связи которых включен диод Шоттки. Такое соединение биполярного транзистора и диода Шоттки называют транзистором Шоттки и на принципиальных схемах показывают в виде одного транзистора.
Ориентировочные значения
параметров ТТЛ-элементов |
Общие характеристики ТТЛ-схем: |
|
||||
|
|
|
|
|
Напряжение питания +5В |
|
|
|
Uпит=+5В |
|
Совместимость по уровню входных и выходных |
|
|
U |
|
0 =0,4В |
U |
1 =2,4В |
сигналов (согласование уровней не требуется) |
|
|
|
|
||||
|
вых max |
вых min |
|
|
||
I |
0 = (-)1,6мА |
I 1 = 0,04мА |
Существующие серии микросхем ТТЛ: |
|
||
вх |
|
вх |
|
|
||
|
|
|
|
|||
Iвых 0 = 16мА |
Iвых 1 = (-)0,4мА |
универсальные -133, 155; |
|
|||
|
|
|
|
|
высокого быстродействия – К531, КР1531; |
|
|
01 |
=22нс |
10 |
=15нс |
1 |
|
|
микромощные – К555, КР1531. |
|||||
tз.р. |
tз.р. |
|
||||
Схемотехника базовых элементов ТТЛ
Инвертор – логический элемент НЕ |
Принцип действия |
|
X |
F |
|
|
0 |
1 |
|
|
1 |
0 |
|
|
Такая схема называется схемой с двухтактным выходным каскадом. ТТЛ элементы, выполненные с двухтактным выходным каскадом не допускают объединения по выходу, за исключением ЛЭ некоторых серий, которые допускают параллельное соединение по входу и по выходу с целью увеличения выходного тока.
а) Если X=0 (Ux=0), то Uэ1=0,
т.е. эмиттер VT1 «сидит» на «земле».
VT1 открыт (насыщен), его напряжение Uкэ1≈0 => потенциал базы VT2 близок к нулю => VT2 закрыт, и => UR3=0.
Т.к. UR3=Uбэ4=0, транзистор VT4 также закрыт.
Поскольку VT2 закрыт, то на его коллекторе присутствует потенциал близкий к +Uп, поддерживающий транзистор VT3 в открытом состоянии (в насыщении) . Диод VD1 открыт. Таким образом, VT3 открыт, а VT4 закрыт, т.е. на выходе
UF ≈ Uп (F = 1).
б) Если X=1 (Ux ≈ Uп), то эмиттерный переход VT1 заперт, но коллекторный переход VT1 открыт,
и через него на базу VT2 подается отпирающее его напряжение => VT2 открыт (насыщен).
В результате протекания тока эмиттера VT2 через резистор R3 на нём падает напряжение , отпирающее VT4 .
Поскольку в открытом состоянии транзистор VT2 представляет закоротку => Uк2≈ Uэ2 => потенциал базы VT3 уменьшился (в сравнении с предыдущим случаем) => VT3 закрыт, т.е. Uп отключено от выхода.
Таким образом, на выходе UF ≈ 0 (F = 0).
2
Схемотехника базовых элементов ТТЛ
Логический элемент И-НЕ (двухвходовый)
I1 |
I2 |
F |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
0 |
1 |
1 |
|
|
|
1 |
0 |
1 |
|
|
|
1 |
1 |
0 |
|
|
|
Принцип действия
Принцип действия аналогичен рассмотренному на предыдущем слайде.
Отметим особенности схемы.
VT1 – многоэмиттерный транзистор.
Если хотя бы на один из входов I1 или I2 подать лог. 0 (подключить к «земле»), то VT1 будет открыт (насыщен), это приводит к закрытию VT2 и VT4 и насыщению VT3 .
На выходе будет UF ≈ Uп (F = 1).
3
Схемотехника базовых элементов ТТЛ
Логический элемент с открытым коллектором
Используется для расширения функциональных возможностей отдельных ЛЭ.
|
- открытый коллектор n-p-n |
|
- открытый эмиттер p-n-p |
|
- открытый коллектор p-n-p |
Схема инвертора с открытым |
- открытый эмиттер n-p-n |
коллектором |
|
На выходе можно получать разные уровни выходного сигнала, подавая значения напряжения Е, отличные от питающего напряжения Uп. Это позволяет осуществлять согласование микросхем серии ТТЛ с другими сериями, имеющие другие значения напряжений лог. 0 и лог. 1, без использования дополнительных преобразователей уровня.
При использовании таких элементов коллектор (сток у ПТ) соединяется с источником
питания через нагрузку R (Rк)
(резистор, обмотка реле, лампа накаливания, светодиод и т.п.)
4
Схемотехника базовых элементов ТТЛ
Схема монтажное И |
1. |
Позволяет осуществлять соединение между собой |
|
||
|
|
нескольких логических элементов |
|
2. |
Реализует дополнительную логическую функцию «И» |
|
|
|
Реализация «монтажной логики», в частности операции монтажное И для положительной логики: если хотя бы на одном из выходов будет установлен НИЗКИЙ уровень, это значит, что общая выходная шина будет замкнута на 0В через открытый транзистор этого выхода и, вне зависимости от уровней на остальных выходах, на общей шине будет установлен НИЗКИЙ уровень, т.е. логический «0». Таким образом будет реализована операция И без какоголибо специального элемента.
Если использовать отрицательную логику, т.е. ИСТИНОЙ (логической «1») считать НИЗКИЙ уровень, то данная схема реализует функцию монтажного ИЛИ. Именно в такой интерпретации чаще всего используется данная схема включения.
Например, сигналы прерывания от нескольких источников с выходом ОК объединены и подключены к одному входу запроса прерывания у микропроцессора. Если хоть один из них перейдет в активное НИЗКОЕ состояние, то выработается запрос прерывания и далее процессор путем опроса найдет источник этого прерывания.
Реализация монтажного И и монтажного ИЛИ
Расчет сопротивления резистора |
5 |
Схемотехника базовых элементов ТТЛ
Логический элемент с 3-мя состояниями (тристабильный буфер)
Главное отличие от обычных ЛЭ наличие третьего - Z-состояния.
Z-состояние – высокоимпедансное состояние, при
котором выход элемента отключен от и от источника питания и от «земли» схемы.
E0 – вход разрешения Z-состояния.
При Е0 =1 диод VD1 заперт, не оказывает влияния на схему.
При Е0 =0 диод VD1 представляет собой закоротку
и присоединяет коллектор VT2 и базу VT3 к
«земле». В результате, транзисторы VT3 и VT4 закрыты, а выход F отключен от источника питания и от общей точки схемы, т.е. выход
находится в Z-состоянии.
Схема инвертора с Z-состоянием
6
Схемотехника базовых элементов ТТЛ
Логический элемент с 3-мя состояниями (тристабильный буфер)
Z-состояние – высокоимпедансное состояние, при котором выход элемента отключен от и от источника питания и от «земли» схемы.
Элемент И-НЕ с Z состоянием
A |
B |
EZ |
F |
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|
|
|
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
1 |
1 |
0 |
0 |
|
|
|
|
x |
x |
1 |
Z |
|
|
|
|
Данные элементы допускают объединение выходов при условии, что в любой момент времени только один из всех элементов не находится в Z-состоянии.
Схемы с Z-состоянием используются в системах с общей шиной. Три выходных состояния обозначаются: H, L и Z.
x – безразличное состояние; |
|
EZ – вход разрешения (активации) Z-состояния. |
7 |
|
Триггер Шмитта
Триггер Шмитта – специфический вид триггера, имеющий один вход и один выход, специально рассчитанные на работу с входными аналоговыми сигналами. Они предназначены для преобразования входных аналоговых сигналов в выходные цифровые (прямоугольные) сигналы.
|
|
Переход триггера |
из одного устойчивого состояния в другое |
|
|
|
осуществляется |
при определенных |
уровнях входного |
(а) |
(б) |
напряжения – пороговые напряжения |
|
|
|
|
|
(а) |
(б) |
Передаточные характеристики обычного инвертора
итриггера Шмитта с инверсией
Вслучае обычного элемента с инверсией (а) при входных
напряжениях ниже определенного порога срабатывания Uпор выходной сигнал имеет высокий уровень, а при входных
напряжениях выше этого порога Uпор - низкий уровень. При этом не имеет значения, возрастает входное напряжение или убывает.
А в случае триггера Шмитта с инверсией (б) принципиально как раз направление изменения сигнала. При возрастании входного сигнала от нуля до напряжения питания порог срабатывания будет одним (Uпор1), а при уменьшении сигнала от напряжения питания до
нуля — другим (Uпор2), причем Uпор1 > Uпор2. В результате на графике образуется своеобразная петля. Выходной сигнал как бы
запаздывает переключаться при возврате входного к исходному уровню. Это называется эффектом гистерезиса (запаздывания).
Реакция на сигнал с пологими фронтами и с шумами обычного инвертора (а) и триггера Шмитта с инверсией (б)
Наличие гистерезиса приводит к тому, что любой шум, любые помехи с амплитудой, меньшей величины (Uпор1 – Uпор2), отсекаются, а любые фронты входного сигнала, даже самые пологие, преобразуются в крутые фронты выходного сигнала. Главное - чтобы амплитуда входного сигнала была большей, чем
(Uпор1 – Uпор2). |
8 |
Применение триггера Шмитта
|
Восстановление формы сигнала |
Формирователь начального сброса по питанию схемы |
|
Нестандартные триггеры Шмитта можно строить также на основе самых обычных логических элементов с обратной связью через резисторы. При этом путем подбора величин этих резисторов можно выбирать значения пороговых напряжений триггера Шмитта.
Для примера показана схема триггера Шмитта на инверторах, которая работает с входными сигналами, симметричными относительно нулевого уровня. Такие сигналы могут быть, например, в передающем кабеле с трансформаторной развязкой. В данном случае триггер Шмитта не только позволяет восстановить искаженную форму сигнала, но еще и усиливает сигнал, а также сдвигает его уровни до значений стандартных нуля и единицы.
Триггеры Шмитта
У ТТЛ ширина петли гистерезиса составляет примерно 0.8В. Для КМОП-элементов определяется напряжением питания:
Uг 0.27 Uп 0.55
Для формирования сигнала начального сброса используется простая RC- цепочка, причем конденсатор берется с большой емкостью. Напряжение на конденсаторе при включении питания нарастает медленно, в результате чего на выходе триггера Шмитта формируется положительный импульс. Использовать для этого обычный инвертор не рекомендуется.
Необходимость такого сигнала сброса вызвана тем, что при включении питания выходные сигналы сложных микросхем, имеющих внутреннюю память (например, регистров, счетчиков), могут принимать произвольные значения, что не всегда удобно. Привести их в необходимое состояние (чаще всего — установить их в нуль) как раз и призван сигнал начального сброса.
Расширение импульсов
АВС |
9 |
|
Применение триггера Шмитта
Построение генераторов импульсов
Вотличие от генераторов на обычных инверторах, в данном случае схема получается гораздо проще: достаточно всего лишь одного инвертирующего триггера Шмитта, одного резистора (порядка сотен Ом) и одного конденсатора (рис.). При этом очень удобно, что конденсатор одним выводом присоединен к общему проводу, к "земле". Это позволяет применять электролитические конденсаторы большой емкости, а также переменные конденсаторы. Использование двухвходовых триггеров Шмитта дает возможность легко разрешать или запрещать генерацию с помощью управляющего сигнала Разр. При уровне логической единицы на входе Разр. генерация идет, при уровне логического нуля генерации - нет.
Дело в том, что любой механический контакт (в кнопках, тумблерах, переключателях и т.д.) не замыкается и не размыкается сразу, мгновенно. Любое замыкание и размыкание сопровождается несколькими быстрыми замыканиями и размыканиями, приводящими к появлению паразитных коротких импульсов, которые могут нарушить работу дальнейшей цифровой схемы. Триггер Шмитта с RC-цепочкой на входе позволяет устранить этот эффект.
Конденсатор заряжается и разряжается довольно медленно, в результате чего короткие импульсы подавляются и не проходят на выход триггера Шмитта. Номинал верхнего по схеме резистора должен в данном случае быть в 6–7 раз больше номинала нижнего, чтобы резистивный делитель при замкнутом тумблере давал на входе триггера Шмитта уровень логического нуля. Сопротивления резисторов должны быть порядка сотен Ом — единиц килоОм. Емкость конденсатора может выбираться в широком диапазоне и зависит от того, какова продолжительность дребезга контактов конкретного тумблера.
Преобразование аналоговых сигналов в прямоугольные импульсы для дальнейшего использования в цифровой технике
Устранение дребезга контактов