Базовые логические элементы ттл

В ТТЛ схемах для реализации логического элемента "2И" вместо параллельного соединения диодов используется многоэмиттерный транзистор. Физика работы этого логического элемента не отличается от работы диодного логического элемента "2И". Высокий потенциал на выходе многоэмиттерного транзистора получается только в том случае, когда на обоих входах логического элемента (эмиттерах транзистора) присутствует высокий потенциал (то есть нет эмиттерного тока). Принципиальная схема базового логического элемента ТТЛ микросхемы приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Принципиальная схема базового логичиского элемента ТТЛ микросхемы

Умощняющий усилитель, как и в диодно-транзисторном элементе, инвертирует сигнал на выходе схемы логического элемента. По такой схеме выполнены базовые логические элементы ТТЛ микросхем серий 155, 131, 155 и 531. Схемы "И-НЕ" в этих сериях микросхем обычно имеет обозначение ЛА. Например, схема К531ЛА3 содержит в одном корпусе четыре логических элемента "2И-НЕ". Таблица истинности, реализуемая этой схемой, приведена в таблице 1, а условно-графическое обозначение этих логических элементов приведено на рисунке 2.


Рисунок 2. Условно-графическое обозначение логического элемента "2И-НЕ"

Таблица 1. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2И-НЕ"

x1 x2 F
1
1 1
1 1
1 1

На основе базового логического элемента строится и инвертор. В этом случае на входе схемы используется только один диод. Схема ТТЛ инвертора приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Принципиальная схема инвертора ТТЛ микросхемы

При необходимости объединения нескольких логических элементов "И" по схеме "ИЛИ" (или при реализации логических элементов "ИЛИ") транзисторы VT2 соединяются параллельно в точках "а" и "б", показанных на рисунке 8, а выходной каскад используется один. В результате быстродействие такого, достаточно сложного элемента, получается точно таким же, как и у одиночного логического элемента "2И-НЕ". Принципиальная схема логического элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" приведена на рисунке 4.


Рисунок 4. Принципиальная схема ТТЛ микросхемы "2И-2ИЛИ-НЕ"

Такие соединения логических элементов широко применяется при реализации цифровых микросхем по произвольной таблице истинности методом СДНФ, а условно-графическое обозначение элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" приведено на рисунке 5. Такие логические элементы содержатся в отечественных цифровых микросхемах с обозначением ЛР.


Рисунок 5. Условно-графическое обозначение логического элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" ТТЛ микросхем

Схемы "ИЛИ-НЕ" в отечественных ТТЛ сериях микросхем средней интеграции имеет обозначение ЛЕ. Например микросхема К1531ЛЕ5 содержит в одном корпусе четыре элемента "2ИЛИ-НЕ". Следует отметить, что в современных микросхемах малой логики стараются в одном корпусе разместить один, в крайнем случае два логических элемента.

Так как в современных схемах ТТЛ и в схемах ДТЛ используется одинаковый выходной усилитель, то и уровни логических сигналов в этих схемах одинаковы. Поэтому часто говорят, что это ТТЛ микросхемы, не уточняя по какой схеме выполнен входной каскад этих микросхем. Тем самым подчеркивается отличие этих микросхем от старых ДТЛ серий микросхем с повышенным напряжением питания. Более того! Появились КМОП микросхемы, совместимые с ТТЛ микросхемами по логическим уровням, например К1564 (иностранный аналог SN74HCT) или К1594 (иностранный аналог SN74АСT).

Логические уровни ТТЛ микросхем

В настоящее время применяются два вида ТТЛ микросхем — с пяти и и с трёхвольтовым питанием, но, независимо от напряжения питания микросхем, логические уровни нуля и единицы на выходе этих микросхем совпадают. Поэтому дополнительного согласования между ТТЛ микросхемами обычно не требуется. Допустимый уровень напряжения на выходе цифровой ТТЛ микросхемы показан на рисунке 6.


Рисунок 6. Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем

Как уже говорилось ранее, напряжение на входе цифровой микросхемы по сравнению с выходом обычно допускается в больших пределах. Границы уровней логического нуля и единицы для ТТЛ микросхем приведены на рисунке 7.


Рисунок 7. Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем

Семейства ТТЛ микросхем

Первые ТТЛ микросхемы оказались на редкость удачным решением, поэтому их можно встретить в аппаратуре, работающей до сих пор. Это семейство микросхем серии К155. Стандартные ТТЛ микросхемы — это микросхемы, питающиеся от источника напряжения +5 В. Зарубежные ТТЛ микросхемы получили название SN74. Конкретные микросхемы этой серии обозначаются цифровым номером микросхемы, следующим за названием серии. Например, в микросхеме SN74S00 содержится четыре логических элемента "2И-НЕ". Аналогичные микросхемы с расширенным температурным диапазоном получили название SN54 (отечественный вариант — серия микросхем К133).

Отечественные микросхемы, совместимые с SN74 выпускались в составе серий К134 (низкое быстродействие низкое потребление — SN74L), К155 (среднее быстродействие среднее потребление — SN74) и К131 (высокое быстродействие и большое потребление). Затем были выпущены микросхемы повышенного быстродействия с диодами Шоттки. В названии зарубежных микросхем в обозначении серии появилась буква S. Отечественные серии микросхем сменили цифру 1 на цифру 5. Выпускаются микросхемы серий К555 (низкое быстродействие низкое потребление — SN74LS) и К531 (высокое быстродействие и большое потребление — SN74S).

В настоящее время отечественная промышленность производит микросхемы серий К1533 (низкое быстродействие низкое потребление — SN74ALS) и К1531 (высокое быстродействие и большое потребление — SN74F).

За рубежом производится трехвольтовый вариант ТТЛ микросхем — SN74ALB

Дата последнего обновления файла 21.12.2008

Вместе со статьей "Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)" читают:

Общие сведения о микросхемах ТТЛ (TTL)

Интегральные микросхемы ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) представляют собой микросхемы малой степени интеграции, выполненные на биполярных транзисторах.

Читайте также:  Пол на балконе из поддонов

К явным недостаткам данной разработки можно отнести небольшое количество логических элементов на кристалл, критичность к напряжению питания и большой ток потребления, который в зависимости от типа микросхемы может колебаться от 10 до 120 mA.

Из-за фиксированного напряжения питания невозможно было использовать микросхемы ТТЛ в комплексе с другими микросхемами, например, с ЭСЛ (эмиттерно-связанной логикой) или МОП структурами. При необходимости нужно было использовать специальные микросхемы ПУ (преобразователи уровня). Кроме того напряжение питания данной серии составляет 5V при допуске 5%, а отечественная промышленность не выпускала элементов питания на такое напряжение, что резко ограничивало применение этой серии в компактной, переносной аппаратуре.

На рисунке изображён один из самых простых логических элементов – 3И – НЕ. Его основу составляет многоэмиттерный транзистор VT1. Уровень логического нуля на выходе появится при наличии высоких логических уровней на всех трёх входах одновременно. Транзистор VT2 при этом играет роль инвертора (элемента НЕ), а многоэмиттерный транзистор VT1 – элемента 3И. Схему И еще называют схемой совпадения.

Несмотря на все недостатки самая популярная серия из ТТЛ, серия К155, активно внедрялась и постоянно пополнялась новыми разработками. Огромной популярностью и по сей день пользуется микросхема К155ЛА3. Её зарубежный аналог – SN7400. На базе этой микросхемы можно собрать много простых электронных устройств, например, маячок на микросхеме. Также микросхему К155ЛА3 частенько используют в качестве простейшего генератора импульсов, как, например, в схеме бегущие огни на светодиодах.

Очень часто можно встретить микросхемы серии К155 с маркировкой КМ155. Буква М указывает на то, что корпус микросхемы выполнен из керамики. В остальном между этими микросхемами отличий нет.

Серия К155 является самой полной серией микросхем ТТЛ. В неё входят около 100 микросхем различного назначения. В эту серию входят как все элементы базовой логики (И, ИЛИ, НЕ, И – НЕ, ИЛИ – НЕ) так и построенные на этих элементах более сложные узлы для выполнения логических операций: триггеры, регистры, счётчики, сумматоры. В серии К155 имеются даже микросхемы ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), правда, небольшой ёмкости. Это микросхемы К155РЕ3, 21, 22, 23, 24 и К155РУ1, 2, 5, 7.

Широкое распространение эта серия получила в электронно-вычислительной технике, контрольно-измерительных приборах и средствах автоматики.

Уровень логической единицы в микросхемах данной серии может находиться в интервале напряжений от 2,4 V до напряжения питания (т.е. 5 V). Уровень логического нуля не должен превышать 0,4 V. Длительная практическая работа с этой серией показала, что фактически уровень логической единицы не бывает ниже 3,2 V, а уровень логического нуля не превышает 0,2 V.

Все микросхемы, за исключением некоторых регистров, счётчиков и схем памяти, выпускаются в стандартном корпусе на 14 выводов. На корпусе микросхемы К155ИР1 хорошо видна выемка (иногда бывает точка), это зона ключа, она показывает первый вывод. 7-й вывод это корпус (минус питания). 14-й расположенный напротив первого, это +V пит.

Вся серия К155 является полным аналогом зарубежной серии SN74. Она была разработана в США ещё в 1965 году, но продолжает выпускаться до сих пор. Такой же долгожительницей является и наша серия К155. Дело в том, что процесс напыления в вакууме на монокристалл кремния структур ТТЛ настолько хорошо отработан и прост, что себестоимость микросхем ТТЛ по сравнению с другими микросхемами фантастически низкая.

И, несмотря на простоту, серия К155 позволила в 70-е годы создать серию электронно-вычислительных машин ЕС ЭВМ или «Ряд-1, Ряд-2» от простой ЕС-1020 до мощной по тем временам машины ЕС-1065 с быстродействием 4 миллиона операций в секунду. Этот монстр был выпущен в 1985 году и благополучно работал в НИИ занятых разработками самых приоритетных направлений, таких как исследование космоса и проектирование новых видов ядерного оружия.

Серия К155 также широко применяется и в цифровых измерительных приборах. При разработке печатных плат для микросхем этой серии следует учитывать возможные броски тока, поэтому на платах микросхемы распространяют линейно с широкими шинами питания. Использование разветвлённых дорожек для подачи питания запрещено. Между шинами питания на каждый корпус ставятся блокировочные конденсаторы ёмкостью 10 – 15 нанофарад.

В процессе научных разработок серия К155 естественно развивалась. Так появилась серия К555, в которой ТТЛ принцип сохранён, но изменена схемотехника. В этой серии в коллекторных переходах транзисторов стоят диоды Шоттки. Поэтому микросхемы серии К555 называют ТТЛШ (ТТЛ и диод Шоттки). Благодаря этому потребляемая мощность снизилась примерно в два раза, а быстродействие заметно увеличилось. За рубежом аналогичная серия называется SN74LS. Вообще, такие разработки как ТТЛШ уже трудно отнести к транзисторного-транзисторной логике, так как в составе микросхем используются диоды, а это уже диодно-транзисторная логика (ДТЛ или англ. DTL).

Базовые логические элементы

Всякая микросхема, реализующая сложную логическую функцию, по существу, представляет совокупность элементов И—НЕ или ИЛИ—НЕ. По схемотехнической структуре эти элементы и составляемые ими более сложные микросхемы делятся на ряд типов.

В настоящее время наиболее распространены микросхемы следующих типов: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), КМДП (на дополняющих — «комплементарных» транзисторах металл — диэлектрик — полупроводник). Для всех микросхем данного типа элемент И—НЕ (ИЛИ—НЕ) является базовым.

Читайте также:  Titan premium zq20008 2т

В этом элементе обе логические операции (И и НЕ) осуществляются транзисторами, чем определяется название типа логики: транзисторно-транзисторная. Напряжение, соответствующее логической 1, U 1 = =2,4 – ÷ – 4,5 В, а соответствующее логическому 0 U 0 ≤ 0,4 В; напряжение питания Еп = 5 В (рисунок 1.3.4.1.)

Конъюнктор элемента (рисунок а) 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 эмиттернобазовый 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, х1 = 0), то потенциал эмиттера uЭ меньше потенциала базы uБ — эмиттерный переход отперт. Таким образом, оба перехода VT1 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 U 1 логической 1 (х12 = х3=1), то uЭ > uБ — эмиттерный переход заперт и ток базы VT1 переключается в цепь коллектора, напряжение на котором составляет теперь около 2 В.

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

Напомним, что выходное сопротивление простого транзисторного инвертора (рисунок а) зависит от его режима. Когда транзистор насыщен, на коллекторе низкий уровень логического 0 и Rвых весьма мало: оно равно сопротивлению rнас 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 = rнас. 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 (с малым Rвых), нагрузкой которого являются подключенные к выходу Rи и Си. 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, х1= 0, то напряжение uК1 на коллекторе VT1 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= U 1 , у = 1). Таким образом, при логическом 0 на одном из входов (например, при х1 = 0) на выходе будет логическая 1 (у = 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 х123 = 1 у=0.

Сопоставляя это с режимом x1 = 0, у = 1, приходим к выводу, что рассматриваемый элемент реализует логическую функцию И—НЕ.

В отсутствие диода VD1 на эмиттерно-базовый переход VT3 при uвых = U воздействовало бы напряжение uБЭЗ = uК2 — uвых » 1 — 0,2 = 0,8 В, в результате чего VT3 оказался бы отпертым. При наличии диода VD1 часть напряжения UК2 — uвых выделяется на нем, так что напряжение uБЭЗ становится меньше 0,6 В и VT3 оказывается практически запертым.

В заключение отметим, что резистор RК3 ограничивает начальный ток зарядки емкости нагрузки Сн , который проходит через транзистор VT3 при uвых= U 1 и может оказаться значительным. Промышленность выпускает так называемый логический расширитель (рисунок б), который представляет собой часть структуры ТТЛ-элемента и может подключаться к нему в точках К и Э (рисунок а). При подключении расширителя конъюнкция входных сигналов может осуществляться транзистором VT1 (рисунок а) или VT (рисунок б) или обоими транзисторами — элемент реализует функцию И—ИЛИ—НЕ:

что расширяет его функциональные возможности.

К классу ТТЛ относятся, в частности, микросхемы К155, К131, К555 серий.

Обратимся к цепи диода VD2, показанной на рисунке , а пунктиром. Если потенциал его катода соответствует уровню логической 1 (u=U 1 ), то диод заперт и схема работает так, как это описано ранее. При u=U° диод отпирается, за счет чего запирается транзистор VT3, так как UБЗ»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.

Читайте также:  Вязание на пупса спицами

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 рисунке, в показаны дополнительные атрибуты обозначения элемента, выход которого может устанавливаться в высокоомное состояние.

Базовый ЭСЛ-элемент ИЛИ/ИЛИ—НЕ

В этом элементе обе логические операции (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. Обозначают такой элемент ИЛИ/ИЛИ—НЕ. Напряжение, соответствующее логической 1, U 1 = — (0,7 ¸ 0,95) В, а логическому 0 U° = —(1,5¸1,9) В; напряжение питания Еп = 5 В (рисунок 1.3.4.2.)

Основу структуры рассматриваемого элемента (рис. 3.30) составляет переключатель тока, рассмотренный в § 2.7. Он собран на входных VT1, VT2, VT3 и опорном VToп транзисторах, эмиттеры которых связаны. Потенциал базы VToп относительно минусовой шины Еп имеет стабильное значение EБ, а относительно «земли» — значение UБоп = ЕБ — Еп, которое лежит между уровнями входных сигналов: U° 1 .

Когда хотя бы на одном входе действует напряжение U 1 логической 1, один из входных транзисторов открыт — напряжение uэ на эмиттерах превосходит значение EБ и транзистор VToп заперт. Если напряжение на входе элемента меняется с U 1 на U 0 (так что х1 = х2 = х3 = 0), то uэ уменьшается и разность ЕБ — uэ оказывается достаточной для отпирания транзистора VT. 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 VToп (когда xl = x2 = x3 = 0).

Наличие тока в коллекторной цепи приводит к падению напряжения на включенном в нее резисторе (RК вх или RК оп) и к уменьшению потенциала коллектора относительно заземленной в данной схеме положительной шины источника питания. Поэтому, например, при х1 = 1 ток IК вх » Iэ и uвых1 имеет большое отрицательное значение — логический 0 (y1 = 0), а uвьх2 — меньшее отрицательное значение — логическая 1 (у2 = 1). При X1 = X2 = X3 = 0 ток IК оп » Iэ и uвых2= U° (у2 = 0), а uвых1 = U 1 (y1 = 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 uК вх и uК оп 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 n-p-n-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 U 1 = —0,8 В, U° = —1,7 В, UБоп = 0,5 (U 1 + U°)= —1,25 В, а напряжение на открытом эмиттерном переходе кремниевого транзистора ео = О,6 В. Когда uвх1 = uвх2 = uвх3 = U°= — 1,7 В, то напряжение на эмиттерных переходах входных транзисторов uбэ=U° — (Uб оп —е) = —1,7 — (1,25 — 0,6) = 0,15 В, при котором они заперты. Если на одном из входов появляется логическая 1 (например, uвх1 = U 1 = — 0,8 В), то на эмиттерном переходе VT1 окажется напряжение uБЭ=u 1 — (UБ оп — ео)= —0,8 —(—1,25 —0,6) » 1 В, при котором транзистор VT1 откроется. После этого напряжение на эмиттерном переходе опорного транзистора uБЭ = UБoп — (uBX1 — e) = — 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 U 1 и U 0 .

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

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector