Универсальный логический элемент ЛЭ ( К 155) 

На рис.2.14 представлена принципиальная схема универсального логического элемента интегральной серии (ИС) К 155.

 Рассмотрим ее принцип действия. Транзистор V₁ – многоэмиттерный транзистор. В зависимости от того, какой сигнал подан на вход логической схемы, т.е. на эмиттер, переход “база – эмиттер” оказывается открытым или закрытым. Если на вход подан низкий уровень, то переход “база – эмиттер” открыт.

 

 

 

Рис. 2.14. Принципиальная схема универсального логического элемента типа ТТЛ

 Если хотя бы один переход “база - эмиттер” открыт, то ток из базовой цепи попадает соответственно в эмиттер, а в цепь коллектора при этом ток не проходит. Если на любой из входов подан высокий уровень сигнала, то соответствующий переход “база-эмиттер” закрыт.

Ток из базовой цепи в цепь коллектора попадает только в том случае, если закрыты все переходы “база-эмиттер”. Транзистор V₁ реализует операцию “И”. Транзистор V₂ выполняет функции инвертора. Транзисторы V₃ , V₄ выполняют функции согласователей, усилителей мощности, т.е. обеспечивают на выходе схемы стандартные уровни выходного сигнала при небольшом выходном сопротивлении.  Контакты К, Э используются для подключения логического расширителя (рис. 2.15). 

Рассмотрим принцип действия данного ЛЭ, заполняя таблицу истинности (ТИ) в табл. 2.9. Подадим на все входы ЛЭ сигналы логического 0 и посмотрим, что будет на выходе.  

Пусть X₁ = X₂ = X₃:= 0 , при этом все переходы “база-эмиттер” открыты и ток коллектора транзистора V₁ равен 0, I_к1=0, следовательно, транзистор V₂ закрыт, поэтому U_к2 ≈ 5В,      U_э2 ≈ 0 и транзистор V₃ открыт, а V₄ закрыт. На выходе ЛЭ будет F = Uв ≈ 2,45В :=1.

Таблица 2.9

X1	X2	X3	F
0	0	0	1
1	0	0	1
...
0	1	1	1
1	1	1	0

Если хотя бы на один из входов ЛЭ будет подан сигнал Х:=0, то соответствующий переход “база-эмиттер” в транзисторе V₁ будет открыт и, следовательно, ЛЭ будет работать так же, как и в первом случае, т. е. на выходе ЛЭ будет F:=1.

Пусть X₁ = X₂ =X₃ =Uв ≈ 2,45 В, т. е. все переходы “база – эмиттер” в транзисторе V₁  закрыты, ток коллектора равен току базы I_к1= I_б1 и транзисторы: V₂ открыт, V₃ закрыт, V₄ открыт, и на выходе ЛЭ будет F :=0. Логическая операция, выполняемая данным элементом, представлена в таблице истинности 2.9.

Данная таблица истинности соответствует логической операции “И-НЕ” .

F= ┐( X₁& X₂& X₃)                                               (2.1)

Для расширения возможностей данного ЛЭ используется

логический расширитель, схема которого представлена на рис. 2.15.

Подключение логического расширителя к универсальному ЛЭ осуществляется за счет объединения коллекторов и эмиттеров транзисторов V₂ на рис. 2.14 и 2.15, которые включены на общую нагрузку.

 

 

Рис. 2.15 Логический расширитель

Соответствующая логическая структура показана на рис. 2.16, при этом реализуется логическая функция типа “И-ИЛИ-НЕ”.

F = X₁& X₂& X₃ V Y₁& Y₂& Y₃ .

 

Рис. 2.16. Логическая структура с расширителем

 

В МП-системе при обмене  данными  в  каждый момент времени шина данных должна  захватываться  только  одним  из  подключенных  к  ней устройств, которое получает при этом право выставлять  на  шину  свои данные.

    Технически эта задача обеспечивается тем, что все устройства, объединенные общей шиной , должны иметь трехстабильные схемы на выходе. Особенность этих логических схем состоит в том, что они могут находиться в трех состояниях.  При этом   могут быть следующие значения выходных сигналов :

стандартные логические сигналы F: = 0, F: =1 и в третьем состоянии  F: = ¥ (Rвых=¥), что равносильно разрыву физической связи между логическим элементом и шиной данных.

Рассмотрим кратко, как работает трехстабильный логический элемент на примере ЛЭ типа ТТЛ серии 155 (рис. 2.17).

    

 

Рис 2.17  Принципиальная схема трехстабильного ЛЭ (ТТЛ)

Как следует из рис. 2.17,  представленная на нем схема отличается от стандартного ЛЭ типа ТТЛ присутствием транзистора V5 , коллектор которого объединен с коллектором транзистора V2.   Уровни логических сигналов ЛЭ ТТЛ

Uв>=2,45 := 1 Uн<=0,45 := 0

Управление режимами работы трехстабильного ЛЭ осуществляется сигналом Uупр, который поступает на базу V5.

Если Uупр:=0, то транзистор  V5 – закрыт , ЛЭ работает в стандартном режиме в соответствии с выражением

                                 F= ┐ (x1&x2)

Если Uупр:=1, то транзистор   V5 – открыт, находится в режиме насыщения  . Напряжение на коллекторе V2 - Uк2≈0.2В,

и на эммитере V2 напряжение - Uэ2=0В.

Cледовательно, транзисторы V3, V4 – закрыты и Rвых=¥, F =¥.

Как указывалось выше, это означает, что данный ЛЭ практически отключен от шины данных.  

Цифровые элементы типа ЭСЛ

 

 

 

 

Рис.2.18. Переключатель тока

Принципиальная схема ЦЭ типа ЭСЛ основана на использовании, так называемого, переключателя тока (рис. 2.18).Рассмотрим принцип действия переключателя тока. Транзисторы V₁ и V₂  включены по схеме с общей базой, что позволяет наилучшим образом использовать их частотные свойства. Эмиттеры транзисторов объединены, и в эту цепь включено сопротивление R_э >> R_k , R_k1= R_k2= R_{k .} Так как база V₂ подключена к земле, то U_б ≈ 0В . При открытом транзисторе U_бэ ≈ 0,2В. В цепи эмиттера образуется генератор тока

I₃ ≈ (E₃ – 0,2B) / R₃ ≈ E₃ / R₃.

Рис.2.19. Статические характеристики переключателя тока

При включении транзисторов по схеме с общей базой ток коллектора I_к = I_э*α , где α - коэффициент передачи тока от цепи эмиттера в цепь коллектора.

.

 

Рис. 2.20. Временные диаграммы сигналов на входе и выходах       переключателя тока

Как следует из характеристик рис. 2,19, в зависимости от значения входного напряжения ток эмиттера переключается из одного транзистора в другой, оставаясь при этом постоянным.

Для переключения тока амплитуда входного сигнала должна меняться в диапазоне от -0,5в до +0,5в.

При этом транзистор V₁ работает, как инвертор входных сигналов, а транзистор V₂ является повторителем. Соответствующие временные диаграммы представлены на рис.2.20 .

На первой эпюре - входной сигнал, на второй и третьей соответственно выходные сигналы на первом и втором транзисторах.

Из временных диаграмм следует, что уровни логических сигналов на входе и выходах отличаются.

Для того, чтобы на основе переключателя тока построить ЛЭ, применяют специальные схемы согласования, которые обеспечивают равенство уровней логических сигналов на входах и выходах. Поскольку в переключателе тока используют подключение транзисторов по схеме с общей базой, то это позволяет в наибольшей степени использовать частотные свойства транзистора.

2.7.1. Универсальный цифровой элемент типа ЭСЛ 

 

 

 

Рис. 2.21. Принципиальная схема ЦЭ 

На рис. 2.21 представлена принципиальная схема цифрового элемента типа ЭСЛ, принадлежащего ИС К 155. 

Основные характеристики:

1) один источник питания Еn = -5В

2) уровни логических сигналов 

U_B ≥ -0,8B := 0 U_H ≤ -1,6B := 1 ( отрицательная логика)

3) t_зад. ≤ 10 нс

Логический элемент (ЛЭ) собран на транзисторах V₂, V₃, V₄, V₅ .

На транзисторах V₄ и V₅ создан переключатель тока. Транзистор V₅ выполняет в переключателе тока роль транзистора, у которого постоянный уровень на базе (на базе V₅ постоянный уровень напряжения, относительно которого и происходит переключение) U_б5 = -1,2 В.

Этот уровень напряжения образуется с помощью специальной схемы эмиттерного повторителя, который построен на транзисторе V₆. Потенциал на базу V₆ подается с помощью делителя напряжения, который состоит из Rд и диодов Д1 и Д2.

Эмиттерный повторитель обладает малым выходным сопротивлением, что обеспечивает независимость уровня напряжения на базе U_б5 от изменения нагрузки.

Транзисторы V₂, V₃, V₄ включены параллельно на общую коллекторную нагрузку и обеспечивают подключение нескольких логических входов.

На транзисторах V₁, V₇ построены выходные эмиттерные повторители, которые обеспечивают приведение всех выходных сигналов схемы к стандартным логическим уровням.

Клеммы коллектор (К) и эмиттер (Э) предназначены для подключения схемы логического расширителя.

Рассмотрим логическую функцию, реализуемую данным элементом (табл. 2.11) и то, как происходит работа логического элемента при поступлении на его входы различных комбинаций логических сигналов.      

       

                                                   Таблица 2.10

X1	X2	X3	F1	F2
0	0	0	1	0
0	0	1	1	0
...
1	0	1	1	0
1	1	0	1	0
1	1	1	0	1

Так как переключение тока происходит относительно U_б5, то, если транзистор V₅ открыт, напряжение на общем эмиттере U_э =-1,4В.         

 Первая строка таблицы соответствует Х₁ =Х₂ =Х₃ =0, т.е.

Х₁ =Х₂ =Х₃ =-0,8В.

Так как U_вх = -0,8В > U_э = -1,4В, то, следовательно, V₂, V₃, V₄ открываются, ток протекает по общему нагрузочному сопротивлению и на коллекторе будет низкий уровень напряжения. Следовательно , F₁= U_н= -1,6В := 1, V₅ – закрыт и на прямом выходе будет F₂ = U_в =-0,8В :=0. 

Во всех строках таблицы истинности, кроме последней, хотя бы одна из входных переменных равна 0, т. е. один или несколько из транзисторов V₂, V₃, V₄ открыты. Следовательно, F₁:= 1, V₅ – закрыт и на прямом выходе будет F₂ :=0.    

В последней строке Х₁ =Х₂ =Х₃ =1, т. е. Х₁ =Х₂ =Х₃ = -1,6В и V₂, V₃, V₄ – закрыты. Соответственно F₁:= 0, а F₂ :=1. 

Таким образом, по табл.2.10 получается, что ЛЭ реализует на выходах следующие логические функции:    

F₁= Х₁ & Х ₂ &Х₃             F₂ = Х₁ & Х ₂ &Х₃ .

Рис. 2.22. Логический расширитель

Применение логического расширителя позволяет увеличить количество входов схемы “И” (рис.2.22 и 2.23).

 

 

Рис. 2.23. Изображение универсального ЛЭ вместе с подключенным расширителем

F₁=X₁& X₂& X₃& Y₁& Y₂& Y₃& Y₄

F₂= F₁.

Такая же операция может быть получена при объединении прямых выходов универсальных ЛЭ, но это потребует большего количества оборудования, чем при использовании расширителя.

Если же объединять инверсные выходы универсальных ЛЭ или прямые и инверсные выходы универсальных ЛЭ, то будет реализована операция “ИЛИ”. При объединении выходов ЛЭ к точке соединения подключается эмиттерная нагрузка только одной схемы, иначе эквивалентное выходное сопротивление уменьшится вдвое. На рис. 2.24 показана схема, в которой произведено объединение выходов двух логических элементов ЛЭ1 и ЛЭ2.

Рис. 2.24. Объединение выходов двух логических элементов

 

U_н  -1,6 В := 1

U_в  0,8 В := 0.

 

Рассмотрим работу схемы на рис.6.7 при различных комбинациях сигналов на базах выходных эмиттерных повторителей Z₁ и Z₂ (табл.2.11).  

                                   Таблица 2.11

Z1	Z2	F
0	0	0
1	0	0
0	1	0
1	1	1

1) Z₁= Z₂ = 0 , т.е. Uб₁ = Uб₂ =- 0,8, транзисторы Т₁ и Т₂ открыты, на объединенном выходе будет F≈-0,8В := 0;    

 

2) Z₁ := 1; Z₂ := 0; , т.е. Uб₁ =- 1,6В, Uб₂ =- 0,8В, тогда Т₁ закрыт, Т₂ открыт, на общем эмиттере будет примерно тот же уровень, что и на базе открытого транзистора, т.е. F : = 0;

 

 

 

Рис. 2.25. Пример объединения выходов логических элементов

 

3) строка таблицы номер 3 аналогична второй;        

4)   Z₁ := 1; Z₂ := 1; т.е. Uб₁ = -1,6В, Uб₂ = -1,6В, тогда оба  транзистора открыты и на выходе будет F≈ -1,6В:=1.

Из табл. 2.11 следует, что объединение выходов двух логических элементов реализует F = Z₁& Z₂ .

На рис.2.25 представлен пример объединения выходов двух логических элементов.

 Соответственно на общем выходе будет

Q = X1 & X2 & X3 & ( Y1 & Y2 & Y3 ) или по

принципу де Моргана Q = X1 & X2 & X3 V ( Y1 & Y2 & Y3) , что позволяет получить функцию типа “И-ИЛИ-НЕ”.

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 611; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!