7.2. Состав ттл логических микросхем малой интеграции

Логический элемент, служащий основой для построения других сложных микросхем называется базовым. В ТТЛ базовым логическим элементом считается элемент 4–НЕ. Микросхема, содержащая в своем корпусе два таких логических элемента, – 2 (4И–НЕ), имеет в своем обозначении символы ЛА1 (К155ЛА1).

В ТТЛ сериях логические элементы И–НЕ распространены более других. Они производятся в виде самостоятельных микросхем, а также служат основой для построения сложных комбинационных и последовательностных микросхем средней и большой интеграции. Кроме базового элемента ЛА1, – 2 (4И–НЕ), в ТТЛ выпускаются логические элементы ЛА2, – 8И–НЕ, логические элементы ЛА3, – 4 (2И–НЕ), логические элементы ЛА4, – 3 (3И–НЕ).

Чтобы реализовать функцию ИЛИ в логические элементы ТТЛ вводят несколько каскадов с фазоразделительными транзисторами, выходы этих транзисторов соединяют параллельно (коллекторы с коллекторами, эмиттеры с эмиттерами) как показано на рис. 7.2.1.

Рис.7.2.1. Микросхема 2И–2ИЛИ–НЕ с выводами коллектора и эмиттера фазоразделительного каскада, предназначенными для подключения расширителей по ИЛИ.

Если входные многоэмиттерные транзисторы таких микросхем имеют по несколько входов И, то получается схема логического элемента ЛР, – И–ИЛИ–НЕ, очень распространенная в ТТЛ (в ТТЛ сериях выпускается тринадцать типов логических элементов И–ИЛИ–НЕ).

В некоторых видах этих микросхем И–ИЛИ–НЕ точки соединений коллекторов и эмиттеров подведены к выводам микросхемы, как показано на рис. 7.2.1 пунктирными линиями, что позволяет подключать дополнительные входные каскады с целью расширения по ИЛИ. При изображении логического элемента И–ИЛИ–НЕ или расширителей с выходами коллектор и эмиттер эти выводы отмечают наклонными крестами (см. рис. 7.2.2), в отличие от логических выводов. На обозначенных крестами выводах микросхем потенциалы могут отличаться от уровней, заданных требованиями для логических уровней.

К155ЛД1

Рис. 7.2.2. Условные графические обозначения расширителя по ИЛИ и логического элемента 2И–2ИЛИ–НЕ, “нелогические” выводы которых, отмечены наклонными крестами

Для расширения по входу ИЛИ в ТТЛ выпускают специальные расширители по ИЛИ на четыре И входа (ЛД1), показанный на рис. 7.2.2 и рис.7.2.3, и на восемь И входов (ЛД3).

+ 5 В

К

Э

Рис. 7.2.3. Схема расширителя по ИЛИ, с выходами коллектора и эмиттера, предназначенными для подключения параллельно к выводам коллектора и эмиттера фазоразделительного каскада логического элемента И–ИЛИ–НЕ

Подключив выводы коллектора и эмиттера фазоразделительного каскада расширителя 4И к выводам коллектора и эмиттера фазоразделительного каскада микросхемы 2И–2ИЛИ–НЕ, можно получить логический элемент (2–2–4)И–3ИЛИ–НЕ, как это показано на рис.7.2.4.

Рис.7.2.4. Схема соединения четырехвходового расширителя по ИЛИ с выходами коллектора и эмиттера, подключенными параллельно к выводам коллектора и эмиттера фазоразделительного каскада логического элемента 2И–2ИЛИ–НЕ, создающего логический элемент (2–2–4)И–3ИЛИ–НЕ

Увеличение числа входов И (расширение по И) можно получить, пользуясь элементами из нескольких схем И–НЕ, пользуясь постулатами де Моргана. Тот же результат может быть получен путем подключения дополнительных внешних диодов и резистора к любому из И входов, как показано на рис.7.2.5.

Рис. 7.2.5. Схема расширения по И с помощью дополнительных внешних диодов и резистора

Такое подключение снижает быстродействие и помехоустойчивость микросхемы по И входу, к которому подключены внешние диоды. Статическая помехоустойчивость ТТЛ микросхем составляет 0,4 В. При подаче на один из дополнительных внешних диодов уровня логического нуля падение напряжения на этом открытом диоде практически полностью скомпенсирует напряжение статической помехоустойчивости, поэтому любая помеха при нуле на входе может привести к ложному срабатыванию.

Что касается быстродействия такого подключения, то здесь существенно (почти на порядок) увеличивается длительность фронта переключения из нуля в единицу на том входе логического элемента, к которому подключены дополнительные внешние диоды. Это происходит из–за того, что заряд паразитной емкости этого входа происходит не через верхний выходной транзистор предыдущей микросхемы, имеющий внутреннее сопротивление в открытом состоянии 50 ...150 Ом, а через внешний резистор величиной 1 кОм. Если дополнительный резистор взять меньшей величины, то при этом может недопустимо возрасти нагрузка на предыдущую микросхему в состоянии логического нуля на ее выходе.

7.3. Выходные каскады ТТЛ микросхем

В микросхемах ТТЛ серий распространены следующие четыре типа выходных каскадов:

1. Обычный двухтактный выходной каскад, показанный на рис.7.1.

2. Умощненный двухтактный выходной каскад, показанный на рис.7.2, иногда его называют буферным выходным каскадом, иногда драйвером.

3. Выходной каскад с так называемым "открытым коллектором" (ОК), в котором из двух выходных транзисторов имеется только один, нижний. В условном графическом обозначении элементов, имеющих выход с открытым коллектором, обычно изображен ромб, подчеркнутый снизу горизонтальной чертой. Изредка используются и каскады с так называемым "открытым эмиттером" (ОЭ), в котором из двух выходных транзисторов имеется только один, верхний. В условном графическом обозначении элементов, имеющих выход с открытым эмиттером, изображен ромб, подчеркнутый сверху горизонтальной чертой.

4. Выходной каскад с так называемым третьим, Z–состоянием, которое не является ни нулевым, ни единичным состоянием выхода микросхемы. Это состояние характеризуется очень высоким выходным сопротивлением данной микросхемы, которая при этом как бы полностью отключена от своей нагрузки. В условном графическом обозначении элементов, имеющих выход с Z–состоянием, обычно изображен ромб, перечеркнутый посередине горизонтальной чертой.

Не разрешается соединять друг с другом выходы микросхем с двухтактными выходными каскады как обычными, так и умощненными. Этот запрет основан на двух причинах.

Если соединить между собой двухтактные выходы двух логических элементов, то, при поступлении на входы этих логических элементов разных сигналов, на их выходах должны быть разные состояния, – на выходе одного логический ноль, на выходе другого, – логическая единица, и неизвестно точно какое же состояние будет в точке их соединения (обычно "побеждает" ноль).

Ток перегрузки, короткого замыкания между ними будет в основном определяться резистором коллекторной нагрузки Rк выходного транзистора, подающего в точку соединения логическую единицу. Главным назначением этого резистора является ограничение очень коротких импульсов сквозного тока, протекающего через два выходных транзистора в выходном каскаде логического элемента при их переключении, когда они оба приоткрыты, поэтому при продолжительной его перегрузке потребляемая или этим резистором, или одним из открытых транзисторов мощность превысить допустимое значение и при достаточно продолжительном состоянии какой–то из логических элементов может выйти из строя.

Еще более опасно подключение выходов логических элементов к корпусу или шине питания, однако, на практике при ремонте плат, при поиске неисправных логических элементов многие электронщики кратковременно (на несколько секунд) закорачивают пинцетом выходы логических элементов на корпус, чтобы подать логический ноль на входы подозрительных логических элементов и при этом предыдущие логические элементы не сгорают.

Никогда нельзя закорачивать выходы логических элементов ТТЛ на шину питания, при этом выход предыдущей микросхемы, находящейся в нулевом состоянии, почти всегда "выгорает". Это касается всех типов выходных каскадов.

Из четырнадцати типов логических элементов И–НЕ в ТТЛ шесть имеют выходы с открытым коллектором (ОК). Они применяются для включения реле, сегментов индикаторов, светодиодов и др. Они, в отличие от микросхем с обычным или умощненным двухтактным выходным каскадом, могут быть соединены друг с другом своими выходами без опасности выхода из строя.

Такое соединение выходов часто называют "монтажное ИЛИ", хотя с точки зрения положительной логики это схема И. Монтажным ИЛИ это соединение называют, возможно, потому, что включить ток в нагрузку (зажечь светодиод, включить реле) может микросхема D1 или микросхема D2. Чтобы такое соединение нормально функционировало, обязательно должна быть нагрузка, подключенная к источнику питания.

Такое соединение иногда используют для подключения выходов нескольких микросхем к какой–либо информационной шине в ЭВМ. Тогда основное значение приобретает быстродействие такого подключения, которое при таком подключении ухудшается.

Ясно, что время задержки распространения t⁰¹зд.р. для схем с открытым коллектором и внешним Rн значительно больше чем у схем с обычным двухтактным выходным каскадом (для уменьшения t^0,1зд.р. еще в ДТЛ, – прообразе ТТЛ, ввели верхний транзистор в выходной каскад). Ясно также, что чем меньше сопротивление нагрузки Rн, тем меньше задержка, равная t^0,1зд.р. = R_НАГР  С_НАГР, но Rн можно уменьшить лишь до того предела, когда ток выходного транзистора логического элемента, определяемый из условия Iвых = Uпит / Rнагр, не достигает своего максимально допустимого значения I⁰вых.max. В условном графическом обозначении элементов, имеющих выход с открытым коллектором, обычно изображен ромб, подчеркнутый снизу, как это показано на рис. 7.3.1.

+5 В

+ 5 В

Рис.7.3.1. Схема логического элемента с выходом с открытым коллектором (ОК) и способ параллельного подключения двух таких выходов к одной линии.

У микросхем, на выходах которых из двух транзисторов двухтактного выходного каскада имеется верхний и отсутствует нижний транзистор, – у микросхем с так называемым открытым эмиттером, в условном графическом обозначении обычно изображен ромб, подчеркнутый сверху.

Имеются микросхемы, на выходе которых кроме двух обычных состояний логического нуля и логической единицы может быть и третье состояние Z с высоким выходным сопротивлением. На рис. 7.3.2. приведен пример такой схемы. Таблица истинности такой схемы имеет следующий вид:

Е1 Е2 А В F

0 0 0 0 1

0 0 0 1 1

0 0 1 0 1

0 0 1 1 0

0 1 x x Z

1 0 x x Z

1 1 x x Z

Здесь входы Е1 и Е2 (иногда такие входы обозначают двумя буквами EO – сокращенное ENABLE OUTPUT – разрешение выхода) управляют в соответствии с таблицей истинности состоянием выходного каскада.

В этой микросхеме два логических элемента: верхний, управляемый, и нижний, управляющий, транзисторы которого имеют обозначение, содержащее две цифры, разделенные точкой.

Если на один из входов Е1 или Е2 (или на оба входа) подана логическая единица, то в нижнем управляющем логическом элементе транзистор VT1.1 закрыт, VT1.2 открыт и VT1.3 открыт, следовательно, в верхнем логическом элементе напряжение на коллекторе VT2 близко к нулю, а тогда и напряжение на его эмиттере близко к нулю, значит, будут закрыты оба выходных транзистора VT3 и VT4.

Входы управления Z–состоянием EO следует отличать от входов EI (сокращенное ENABLE INPUT – разрешение входа, когда схема, аналогичная собранной на транзисторах T1.1, T1.2 и T1.3 управляет по пунктирной линии одним из эмиттеров входного многоэмиттерного транзистора основного логического элемента, обеспечивая непрохождение сигналов A и B, отключая входы). При управлении по входам типа EI на выходе F будет состояние логического нуля, а не Z–состояние, как при управлении по входам типа EO.

­Рис. 7.3.2. Схема логического элемента с выходом, имеющем три возможных состояния: 0, 1 и "отключено" (Z – состояние), а также имеющего возможность "запрета по входу", показанную с помощью пунктирной связи.

Связь, показанная на рисунке пунктирной линией, не обеспечивает Z–состояние, а обеспечивает только закрытие входных транзисторов (создавая так называемый запрет по входу).

Z–состояние необходимо, когда выходы нескольких логических элементов подключены к одной точке (информационной шине) и эти логические элементы работают поочередно. Итак, чтобы получить состояние Z достаточно закрыть оба выходных транзистора логического элемента.

Некоторые логические элементы имеют повышенную (в 2 ... 5 раз) нагрузочную способность, так, например микросхемы ЛА6, – 2(4И–НЕ) и ЛА12, – 4(2И–НЕ) имеют повышенную нагрузочную способность (Кразв. = 30). Их иногда называют усилителями тока или драйверами (от английского driver – формирователь, водитель). Драйверы с Z–состоянием выхода широко применяются в микропроцессорных системах для подключения самого микропроцессора, памяти и внешних устройств к системным шинам адреса и данных. Такие драйверы называют шинными формирователями (bus driver).

Все микропроцессоры имеют двунаправленную шину данных, а значит, для соединения с этой шиной, как со стороны микропроцессора, так и со стороны внешних устройств требуются двунаправленные драйверы, которые также называют приемопередатчиками. В английском языке приемопередатчик, – transceiver происходит от слияния, комбинации частей слов передатчик, – transmitter, и приемник, – receiver.

Внутри микросхем к каждому двунаправленному выводу микросхемы подключены вход одного и выход другого инвертора (или повторителя). Переключение этих выводов микросхемы с приема на передачу производится по сигналу, поступающему на управляющий вход микросхемы. В условном графическом обозначении микросхем около двунаправленных выводов обычно изображают двунаправленную стрелку, как это показано на рис.7.3.3.

Рис.7.3.3. Условное графическое обозначение двунаправленного шинного формирователя, драйвера (bus driver).