В настоящее время наиболее распространены ЛЭ следующих типов: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанна

В настоящее время наиболее распространены ЛЭ следующих типов: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), КМОПТЛ (логика на комплементарных металл - окисел - полупроводник транзисторах). Для всех микросхем данного типа элемент И - НЕ (ИЛИ - НЕ) является базовым.

Базовый ЛЭ И - НЕ ТТЛ. В этом элементе (рис.4.53,а) обе логические операции (И и НЕ) осуществляются транзисторами, чем определяется название типа логики: транзисторно-транзисторная. Напряжение, соответствующее логической 1 - U1 = 2,4…4,5 В, а соответствующее логическому 0 - U0 = 0…0,4 В; напряжение питания Еп = 5 В.

Конъюнктор элемента выполнен на многоэмиттерном транзисторе (МЭТ) VT1, который легко реализуется методами интегральной технологии. Его база через резистор Rб соединена с положительным зажимом источника питания Еп. Эмиттеры являются входами элемента, а в цепь коллектора включен эмиттерно-базовый переход транзистора VT2.

Потенциал базы VT1 выше потенциала коллектора, поэтому коллекторный переход VT1 отперт. Режим эмиттерного перехода зависит от ситуации на входах элемента.

Если хотя бы на одном входе присутствует низкий потенциал логического 0 (например, X1 = 0), то потенциал эмиттера φэ меньше потенциала базы φб - эмиттерный переход отперт. Таким образом, оба перехода VTI открыты и он насыщен. При этом практически весь ток базы проходит в цепь эмиттера, а напряжение на коллекторе составляет доли вольт.

Если же на всех входах элемента высокий потенциал (Х1 = Х2 = Х3 = U1), то φэ > φб - эмиттерный переход заперт и ток базы VTI переключается в цепь коллектора, напряжение Uк1 на котором составляет теперь около 2 В.

Рис.4.53 ЛЭ И-НЕ ТТЛ

Инвертор рассматриваемого элемента называют сложным. Он должен обеспечить элементу большую нагрузочную способность, т. е. обладать незначительным выходным сопротивлением.

Когда транзистор насыщен, на коллекторе низкий уровень логического 0 и Rвых весьма мало: оно равно сопротивлению насыщенного транзистора. Если транзистор заперт, на его коллекторе высокий потенциал, а Rвых ≈ Rк.

Чтобы Rвых рассматриваемого элемента было незначительно при обоих уровнях потенциала на выходе, к последнему подключены две цепи: первая из них содержит транзистор VT4, а вторая - транзистор VT3 и диод VD1. Когда заперт VT5 и насыщен VT4, на выходе низкий потенциал (логический 0), а Rвых = r. Когда заперт VT4 и открыт VT3, на выходе высокий потенциал (логическая 1); при этом каскад на транзисторе VT3 работает

в активном режиме как эмиттерный повторитель, нагрузкой которого являются подключенные к выходу Rн и Сн.

Резистор Rк3 имеет небольшое сопротивление, и в данном случае с его влиянием можно не считаться.

Рассмотрим, как осуществляется включение и выключение транзисторов VT3 и VT4. Ранее отмечалось, что если, к примеру, X1=0, то напряжение на коллекторе VT1 (uк1) незначительно. В этом режиме оно меньше 0,6 В - напряжения, при котором появляется заметный ток в коллекторных цепях кремниевых транзисторов данной микросхемы. Поэтому транзистор VT2 практически заперт - его эмиттер имеет потенциал, близкий к нулю, а коллектор - высокий потенциал. В результате VT3 открыт, а VT4 заперт (uвых = U1, y = 1). Таким образом, при логическом 0 на одном из входов (например, при X1 = 0) на выходе будет логическая 1 (y =1).

Ранее было также установлено, что если на всех входах элемента присутствует высокий потенциал (логическая 1), то эмиттерный переход VT1 заперт и ток базы поступает в его коллектор, т. е. в базу транзистора VT2. В результате VT2 насыщается - по сравнению с предыдущим режимом потенциал его эмиттера uэ2 возрастает, а потенциал коллектора uк2 уменьшается до 1 В. Следствием увеличения uэ2 является насыщение транзистора VT4 (Uвых = U° ≈ 0,2 В - логический 0). Таким образом, при X1 = X2 =Х3=1 У=0. Следовательно, рассматриваемый элемент реализует логическую функцию И - НЕ.

В отсутствие диода VD 1 на эмиттерно-базовый переход VT3 при uвых= U0 воздействовало бы напряжение uбэ3 = uк2 - uвых ≈ 1 - 0,2 = 0,8 В, в результате чего VT3 оказался бы отпертым. При наличии диода VD1 часть напряжения выделяется на нем, так что напряжение uбэ3 становится меньше 0,6 В и VT3 оказывается запертым.

Резистор Rк3 ограничивает начальный ток зарядки емкости нагрузки, который проходит через транзистор VT3 при uвых = U1 и может оказаться значительным.

Промышленность выпускает так называемый логический расширитель (рис.4.53,б), который представляет собой часть структуры ТТЛ - элемента и может подключаться к нему в точках К и Э. При подключении расширителя конъюнкция входных сигналов может осуществляться транзистором VT1 (рис.4.53,а) или VT (рис.4.53,б) или обоими транзисторами - элемент реализует функцию И – ИЛИ - НЕ:

У = ,

что расширяет его функциональные возможности. К классу ТТЛ относятся, в частности, микросхемы серий К155, К131, К555.

Обратимся к цепи диода VD2, показанной на рис.4.53,а пунктиром. Если потенциал его катода соответствует уровню логической 1, то диод заперт и схема работает так, как это описано ранее. При u = U0 диод отпирается, за счет чего запирается транзистор VT3, так как uб3 ≈ 0. Кроме того, ток базы VT1 проходит в цепь имеющего низкий потенциал эмиттера, благодаря чему запирается транзистор VT2 и, как следствие, транзистор VT4. Таким образом, выход элемента оказывается отсоединенным от положительной клеммы источника питания и от «земли», т. е. на нем не может появиться ни 1, ни 0. Это равносильно отключению последующей части устройства от данного элемента, т. е. высокоомному (высокоимпедансному) состоянию его выхода.

Если выходы используемых элементов обладают указанным свойством, то при работе на общую нагрузку они могут соединяться, но при условии, что элементы функционируют не одновременно.

На рис.4.53,в показаны дополнительные атрибуты обозначения элемента, выход которого может устанавливаться в высокоомное состояние.

Базовый ЛЭ ИЛИ/ИЛИ - НЕ ЭСЛ. В этом элементе обе логические операции (ИЛИ, ИЛИ - НЕ) выполняются эмиттерно-связанными транзисторами, чем и обусловлено название типа логики. Элемент имеет два выхода, на одном из которых фиксируется результат операции ИЛИ, а на другом - операции ИЛИ - НЕ. Напряжение, соответствующее логической 1, U1 = - (0,7 - 0,95) В, а логическому 0 - U0 = -(1,5 - 1,9) В; напряжение питания Eп = 5 В.

Основу структуры рассматриваемого элемента (рис.4.54) составляет переключатель тока, рассмотренный ранее. Он собран на входных VT1, VT2. VT3 и опорном VТоп транзисторах, эмиттеры которых связаны.

Рис.4.54 ЛЭ И/И – НЕ ЭСЛ

Потенциал базы VTоп относительно минусовой шины Еп имеет стабильное значение Eб, а относительно «земли» - значение Uб оп = Eб - Еп, которое лежит между уровнями входных сигналов: U0 < Uб оп < U1.

Когда хотя бы на одном входе действует напряжение U1 логической 1, один из входных транзисторов открыт - напряжение uэ на эмиттерах превосходит значение Еб и транзистор VTоп заперт. Если напряжение на входе элемента меняется с U1 на U0 (так что Х1 = Х2 = Х3 = 0), то uэ уменьшается и разность Еб - uэ оказывается достаточной для отпирания транзистора VTоп. При этом его ток создает на резисторе Rэ напряжение uэ, запирающее входные транзисторы VT1-VT3.

Таким образом, ток Iэ эмиттерной цепи переключается то в коллекторную цепь входных транзисторов (если хотя бы на одном входе логическая 1), то в коллекторную цепь опорного транзистора (когда Х1 = Х2 = Х3 = 0).

Наличие тока в коллекторной цепи приводит к падению напряжения на включенном в нее резисторе Rквх или Rкоп и к уменьшению потенциала коллектора относительно заземленной в данной схеме положительной шины источника питания. Поэтому, например, при X1 = l ток Iквх ≈ Iэ и uвых имеет большое отрицательное значение - логический 0 (у1 = 0), а uвых2 - меньшее отрицательное значение - логическая 1(у2 = 1). При Х1 = X2 = Х3 = 0 ток Iкоп = Iэ и u вых2 = U0 (у2 = 0), a uвых1 =U1 (у1=1).

Следовательно, по выходу y1 реализуется логическая функция ИЛИ - НЕ, а по выходу у2 - логическая функция ИЛИ.

На транзисторах VT4 и VT5 выполнены эмиттерные повторители. За счет них повышается нагрузочная способность элемента, а также по сравнению с uквх и uкоп уменьшается уровень выходных сигналов на значение напряжения uбэ на эмиттерно-базовых переходах VT4 и VT5. В отсутствие эмиттерных повторителей потенциалы с коллекторов данного элемента непосредственно воздействовали бы на базы входных транзисторов следующего элемента, что вызвало бы их насыщение.

Эмиттерный повторитель на транзисторе VT6 является источником стабильного опорного напряжения. При изменении температуры напряжения на диодах VD1 и VD2 изменяются примерно так же, как и Uбэ6. Поэтому Еб = uэ6 = uб6 - uбэ6 сохраняется достаточно стабильным.

Обычно в схеме с п-р-п-транзисторами «заземляется» минусовая шина источника питания, имеющая в такой схеме самый низкий потенциал. При этом относительно нее потенциалы точек схемы не могут быть отрицательными. В рассмотренной схеме к «земле» присоединена плюсовая шина источника Еп, имеющего в данной схеме самый высокий потенциал. Поэтому относительно нее потенциалы точек схемы не могут быть положительными. Будем считать, что в среднем Ul = -0,8 В, U0 = - 1,7 В, Uбоп = 0,5(U1 + U0) = -1,25 В, а напряжение на открытом эмиттерном переходе кремниевого транзистора ео = 0,6 В. Когда uвх1 = uвх2 = uвх3 = U0 = -1,7 В, то напряжение на эмиттерных переходах входных транзисторов uбэ = U ° - (Uбоп - ео) = - 1,7 - (1,25 - 0,6) = 0,15 В, при котором они заперты.

Если на одном из входов появляется логическая 1 (например, uвх1 = U1 = - 0,8 В), то на эмиттерном переходе VT1 окажется напряжение uбэ1 = U1 -(Uбоп - ео) = -0,8 - (-1,25 - 0,6) ≈ 1 В, при котором транзистор VT1 откроется. После этого напряжение на эмиттерном переходе опорного транзистора uбэ = Uбоп - (uвх1 - ео) = - 1,25 - (- 0,8 - -0,6) = 0,15 В, при котором опорный транзистор заперт.

«Заземление» положительной шины источника приводит к тому, что при колебаниях величины Еп обеспечивается большее постоянство уровней выходных логических потенциалов U1 и U0.

К классу ЭСЛ относятся, в частности, микросхемы серий К187, К223, К500.

Базовый ЛЭ ИЛИ-НЕ КМОП. Рассматриваемый элемент реализован на полевых транзисторах класса металл - диэлектрик - полупроводник с индуцированными каналами р- и п-типов (на комплементарных транзисторах). Название элемента составлено из первых букв слов «комплементарный», «металл», «окисел», «полупроводник».

Типовые значения напряжений логических 1 и 0, а также питания соответственно равны U1 >8,2 В, U0 =0,3 В, Eп = 9 В. По существу КМОП-элемент (рис.4.55) представляет собой делитель напряжения Еп источника питания. Одно плечо делителя составляют транзисторы VT1, VT2, VT3 (коммутирующие, или управляющие), другое - транзисторы VT4, VT5, VT6 (нагрузочные). В силу разной проводимости каналов транзисторов логический сигнал на входе запирает один из управляющих транзисторов и отпирает нагрузочный транзистор, или наоборот.

Рис.4.55 Базовый ЛЭ ИЛИ - НЕ КМОП

Если на любой из входов (например, первый) подается высокий потенциал U1 (х1 = 1, х2 = х3 = 0), то VT1 открывается и сопротивление плеча, состоящего из управляющих транзисторов, уменьшается. Одновременно запирается транзистор VT4 и сопротивление плеча, состоящего из нагрузочных транзисторов, становится весьма значительным - большая часть напряжения Еп выделяется на нагрузочных транзисторах и на выходе элемента - низкий потенциал U0 (у = 0).

Только когда на всех входах присутствует низкий потенциал U0 , управляющие транзисторы заперты, а нагрузочные - открыты. Поэтому падение напряжения на нагрузочных транзисторах мало, а на управляющих - велико: на выходе высокий потенциал U1 (у = 1). Таким образом, рассмотренный элемент реализует функцию ИЛИ-НЕ:

У = .

Логические КМОП-элементы имеют следующие достоинства. В стационарных состояниях в цепи источника Еп находится запертый транзистор, так что потребляемая элементом мощность незначительна; по существу, потребление энергии происходит при переключении элемента и возрастает с увеличением частоты переключений. Входное сопротивление полевого транзистора весьма велико. Поэтому элементами на полевых транзисторах данный элемент мало нагружается. При исполнении по интегральной технологии полевой транзистор занимает на подложке меньшую площадь, чем биполярный.

По сравнению с биполярным полевой транзистор является менее быстродействующим и имеет большее сопротивление в открытом состоянии, благодаря чему остаточное напряжение на нем сравнительно велико. В структурах, использующих комплементарные полевые транзисторы, эти недостатки ослабляются:

первый за счет того, что нагружающая выход емкость оказывается всегда подключенной к цепи, содержащей открытый транзистор (управляющий или нагрузочный), через который она может быстро перезаряжаться;

а второй ослабляется регулируемой нагрузкой: малое напряжение на выходе обусловлено большим сопротивлением запертого в это время нагрузочного транзистора.

К классу КМОП относятся, в частности, микросхемы серий К176,564.