Логические элементы. Функциональная группа ТТЛ включает все типы элементов, реализующих основные логические функции: НЕ, И

Функциональная группа ТТЛ включает все типы элементов, реализующих основные логические функции: НЕ, И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и другие. Все основные элементы группы выполнены с двухтактным выходом. Для реализации монтажных функций И некоторые типы ИС имеют открытый коллекторный выход. Логические элементы с повышенной нагрузочной способностью используются в разветвленных и межплатных соединениях. Также имеются логические элемен­ты с повышенной помехоустойчивостью.

Микросхемы, типа ЛА (ЛА1...ЛА4, ЛА6…ЛА13, ЛА15…ЛА19) выполняют логическую функцию m И – НЕ, а ИС типа ЛИ (ЛИ1…ЛИ6) выполняют логическую функцию m И, где m – число входов. Чтобы рассмотреть схемотехнику таких элементов ТТЛ, составим таблицу функций элементов И, И-НЕ для двух входов А и В (простейший вариант) (рис. 57).

Рис. 57 Двухвходовый логический элемент и табли­ца его состояний

Каждая переменная А и В моделируется электронным ключом, который можно замкнуть или разомкнуть. Если ключи соединены после­довательно, то они работают согласно логике И: ток в цепи появится, если замкнуть оба ключа: и A и В. Если активными входными сигналами считать замыкание ключей A и В и назвать это событие логической 1, то, последовательно перебирая состояние этих ключей, составим таблицу входных и выходных данных для элементов И и И-НЕ.

Рассмотрим способ реализации логической операции И-НЕ на элементах ТТЛ На рис. 58, а приведена принципиальная схема двухвходового логического элемента И-НЕ.

Рис. 58. Логический элемент 2И-НЕ: а – принципиальная схема элемента, б – таблица состояний; в – условное обозна­чение элемента

Подавая от ключей S1 и S2 на входы А и В напряжение высокого В и низкого Н уровней, составим таблицу выходных уровней элемента (рис. 58, б). Напряжение низкого уровня Нпояв­ляется на выходе Q, когда на обоих входах А и В присутствует высокое напряжение В. Условное графическое обозначение двухвходового логического элемента показано на рис 58, в.

Среди простейших ИС ТТЛ преобладают элементы И, И-НЕ. Каждый из корпусов ИС типа ЛА и ЛИ содержит от двух до четырех логических элементов, а микросхемы ЛА2 и ЛА19 содержат по одному логическому элементу И-НЕ на восемь и двенадцать входов соответственно.

Пример цоколевок микросхем типа ЛИ и их условные графи­ческие обозначения приведены на рис. 59.

Рис.59.Условные обозначения и цоколевки микросхем типа ЛИ

Следует особо выделить группу микросхем, логические элементы которых имеют выходы с открытым коллектором (ЛА7...ЛА11, ЛА13, ЛА18), (ЛИ2, ЛИ4, ЛИ5). Схема двухвходового логического элемента И-НЕ с открытым коллектором показана на рис. 60, а. Для формирования выходного пере­пада напряжения к выходу такого элемента необходимо подключить внешний нагрузочный резистор R _н.Такие микросхемы применяются для обслуживания сегментов индикаторов, за­жигания ламп накаливания, светодиодов (рис. 60, б). При необходимости в схемах (рис 60) можно использовать элемент ТТЛ с двухтактным выходом. Для некоторых микро­схем с открытым коллекторным выходом нагрузку можно подключать к более высоковольтному источнику питания (рис. 60, в) (ЛА11). Такое включение необходимо для зажи­гания газоразрядных и электролюминесцентных индикаторов. Выходы с открытого коллектора используют для подключения обмоток реле. Выходы нескольких элементов с открытым коллектором можно присоединять к общей нагрузке R _н(рис. 60, г). Такое подключение позволяет реализовать логическую функцию И, называемую «монтажное И».

Рис. 60. Логический элемент 2И-НЕ с открытым коллектором: а –принципиальная схема элемента; б –схема подключения ламп накалива­ния и светодиодов; в – схема подключения нагрузки к высоковольтному источ­нику; г –схема подключения нескольких элементов к общей нагрузке

Схему (рис. 60, г) используют для расширения числа входов логического элемента. Следует помнить, что двухтактные выходы ТТЛ нельзя соединять параллельно, это приводит к токовой перегрузке одного из элементов. Многовходовые составные логические элементы с откры­тым коллектором и общим сопротивлением нагрузки R _нреали­зуются наиболее просто, однако они не позволяют получить предельное быстродействие. Более лучший способ увеличения числа входов осуществляется с помощью специальной микросхемы-расширителя, имеющей дополнительные выводы кол­лектора и эмиттера фазоразделительного каскада VT2 (рис. 61).

Рис. 61. Принципиальная схема 2И-НЕ с дополнительными выводами коллектора и эмиттера, его условное обозначение и способ соединения нескольких микросхем

Одноименные вспомогательные выводы нескольких таких элементов можно объединять.

На рис. 62 показана схема элемента, который имеет третье выходное состояние z, когда выход размыкается. Для этой цели в схему стандартного сложного инвертора ТТЛ вводится дополнительный инвертор DD1 и диод VD2.

Рис 62. Принципиальная схема логического элемента с тремя состояниями на выходе

Если на этот вход подать от переключателя S1 напряжение высокого уровня – 1, то выходное напряжение инвертора DD1 станет низким, т. е. катод диода VD2 будет практически соединен с корпусом. Из-за этого коллектор транзистора VT2 будет иметь нулевой потенциал, т. е. транзистор VT2 будет закрыт. Транзисторы VT3 и VT4 будут находиться в режиме отсечки, т. е. оба закрыты. Следовательно, выходной вывод как бы «висит» в воздухе, микросхема переходит в состояние z с очень боль­шим выходным сопротивлением. Если на вход подается разрешающий низкий уровень – 0, то логический элемент И-НЕ работает как в обычном режиме.

Такие логические элементы разработаны специально для обслуживания проводника шины данных. Если к такому проводнику присоединить много выходов, находящихся в состоянии z, то они не будут влиять друг на друга. Активным передающим сигналом должен быть лишь один логический элемент, только от его выхода в проводник шины данных будет поступать информация. Следовательно, соединенные вместе выходы не должны быть одновременно активными.

Чтобы сигналом разрешения (низкий уровень – 0), подаваемым на вход , подключался к проводнику выход только одного логического элемента, необходимо предусмотреть до­полнительный (защитный) временной интервал, т. е. пере­ключать входы различных элементов с паузой. Сигналы разрешения, даваемые выходам разных элементов, не должны перекрываться.

Микросхема К531ЛА19 – это 12-входовый логический эле­мент И-НЕ с дополнительным инверсным входом ЕО. Сигнал появится на его выходе, если на вход подано напряжение низкого уровня – 0. Выход логического элемента перейдет в разомкнутое состояние z, если на вход подается напря­жение высокого уровня. В состоянии z элемент потребляет ток I^Z _пот = 25 мА. Время задержки перехода выхода к разомкнутому состоянию = 16 нс, время задержки перехода выхода =12 нс (от напряжения низкого выходного уровня), при условии, что С_н = 15 пФ.

Микросхемы типа ЛЕ (ЛЕ1…ЛЕ7) выполняют логическую функцию m ИЛИ-НЕ, а ИС типа ЛЛ (ЛЛ1, ЛЛ2) выполняют логическую функцию m ИЛИ, где т – число входов.

Как отмечалось ранее, функцию ИЛИ-НЕ можно реализовать с помощью логического элемента И-НЕ (рис. 58, а),переименовав его логические уровни (такой способ непрактичен) или применив специальную ИС ИЛИ-НЕ (рис 63, а), где напряжение низкого уровня Н соответствует логическому нулю, а напряжение высокого уровня В – логической единице, т. е. как и в ранее приводимых ИС.

В таких элементах ТТЛ используются не один, а два многоэмиттерных транзистора VT1, VT4 и параллельное соединение двух транзисторов в фазоразделительном каскаде (VT2, VT3). Для получения инверсии добавлен обычный выходной каскад с транзистором-повторителем VT5 и ключевым транзистором VT6. Условное обозначение элемента ИЛИ-НЕ и таблица состояний для двухвходового элемента приведены на рис. 63, б. На рис. 64 приведена наиболее распространенная типовая схема логического элемента ИЛИ-НЕ на два входа.

Каждый из корпусов ИС типа ЛЕ, ЛЛ содержит от двух до четырех логических элементов. Микросхема ЛЛ1 содержит четыре двухвходовых элемента ИЛИ, а ЛЛ2 – два двухвходовых элемента ИЛИ с мощным открытым коллекторным выходом.

Рис. 63.Логический элемент 2ИЛИ-НЕ

а –принципиальная схема элемента; б –условное обозначение и таблица состояний элемента

Микросхемы ЛЕ2, ЛЕЗ имеют для каждого четырехвходового элемента вход разрешения EI (Enable input), а один из элементов ЛЕ2 имеет, кроме того, выводы расширения числа входов Р и. Во время действия команды EI разрешается (или запрещается) прием сигнала по входу логического элемента. Для подачи такой команды на микросхему необходимо предусмотреть дополнительный вывод разрешения по входу EI. Если по этому входу запрещается прием сигналов, то он обозначается как инверсный.

Рис. 64.Типовая принципиальная схема элемента 2ИЛИ-НЕ

На рис. 655 показана схема организации входа разрешения, управляемого инверсной командой. Транзисторы VT1 и VT4 имеют дополнительные, объединенные эмиттеры, образующие вход .

Если на этот вход подать напряжение низкого уровня Н, то входные токи транзисторов VT1 и VT4 через переклю­чатель S1 будут замыкаться на корпус. Поэтому основные входы А и В не смогут принять никакую комбинацию сигналов высокого и низкого уровней. На выходе Q будет зафиксировано напряжение высокого уровня независимо от уровней сигналов на входах А и В. Если вход разрешения подать сигнал высокого уровня В,то прохождение сигналов со входов А и В будет разрешено. Если входы А и В объединить и подать на них последовательность импульсов, то на выходе Q она появится в инверсной форме. Среди логических элементов ИЛИ-НЕ имеются два буферных с мощными выходами – ЛЕ5, ЛЕ6. Для них допустимый ток нагрузки порядка 70 мА.

Puc. 65. Принципиальная схема логического элемента с дополнительным входом разрешения EI

Микросхемы типа ЛН (ЛН1...ЛН6)представляют собой инверторы и выполняют логическую операцию НЕ. Каждая микросхема содержит по шесть инверторов, причем ЛН4 содержит элементы без инверсии, а элементы ЛН6 имеют дополнительный вход ЕО разрешения по выходу, т. е. имеют третье состояние z. Принципиальные схемы элементов группы ЛН представляют собой обычные инверторы. Микросхема ЛН1 имеет двухтактный выходной каскад, остальные ИС имеют выходы с открытым коллектором, причем ЛН5 содержит шесть инверторов с открытыми коллекторами.

Микросхемы типа ЛД (ЛД1, ЛДЗ)представляют собой специальные расширители по ИЛИ. ЛД1 содержит два четырехвходовых элемента, ЛДЗ содержит восьмивходовый элемент, имеющие дополнительные выходы коллектора и эмиттера.

В схемотехнике ТТЛ очень часто используются сложные логические элементы И/ИЛИ-НЕ, И-НЕ/ИЛИ-НЕ и другие. Рассмотрим принцип построения сложных элементов на примере И/ИЛИ-НЕ. Для этого у каждого многоэмиттерного транзистора делают несколько входов (рис. 67). Приведенная схема содержит два двухвходовых элемента И (многоэмиттерные транзисторы VT1, VT4),а также двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ (это транзисторы фазоразделительного кас­када VT2 и VT3)с двухтактным выходным каскадом, выполненным на транзисторах VT5, VT6,и смещающим диодом VD1. Структурная схема, составленная из трех логических элементов, приведена на рис. 68, а, а совмещенное начертание элемента И/ИЛИ-НЕ – на рис. 68, б. Элементы И/ИЛИ-НЕвыпускаются в виде самостоятельных микросхем или входят в состав

более сложных структур.

Pиc. 67 Принципиальная схема логического элемента И/ИЛИ-НЕ

Рис. 68. Логический элемент И/ИЛИ-НЕ: а – структура элемента; б – условное обозначение элемента