И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Что такое резисторно-транзисторные логические схемы?

На рис. 12.11 представлен элемент ИЛИ — НЕ в резисторно-транзисторном (РТЛ) схемном решении. Как легко заметить, он является модификацией элемента НЕ (см. рис. 12.10, а). Если на любом из входов, имеется 1, то транзистор находится в состоянии насыщения и на выходе элемента появится сигнал логического 0. К недостаткам РТЛ-схем относятся: медленное переключение, низкая граничная частота, а также ограничение возможности интеграции из-за наличия резисторов и конденсаторов, включенных параллельно резисторам R для увеличения скорости переключения.

Рис. 12.11. Логическая схема РТЛ, выполняющая функции ИЛИ — НЕ

На рис. 12.12 представлен пример построения схемы ТТЛ, выполняющей функции И — НЕ. Это решение соответствует интегральной схеме типа UCY7400 и 134ЛБ1, содержащей четыре вентиля.

Рис. 12.12. Логическая ТТЛ-схема, выполняющая функции И — НЕ на интегральных микросхемах типа UCY7400 или 134ЛБ

Схема работает следующим образом. Транзистор Т1 с двумя эмиттерами осуществляет логическое произведение (элемент И), а остальные транзисторы образуют выходной противотактный усилитель, осуществляющий функцию отрицания (элемент НЕ). Если хотя бы на одном из входов имеется сигнал логического 0 (ниже + 0,4 В), то транзистор Т1 находится в состоянии насыщения, а транзистор Т2 — в состоянии запирания. В этом случае резистор R3 соединяет базу транзистора Т1 с массой, что вызывает его запирание.

Транзистор Т3 в этих условиях работает как эмиттерный повторитель, поскольку нагрузочное сопротивление схемы и сопротивление транзистоpa T4 в состоянии запирания значительно больше, чем сопротивление R4. Выходной сигнал повторителя соответствует 1 (более +2,4 В).

При подаче сигнала, соответствующего 1, на оба входа вентиля эмиттерные переходы входного транзистора Т1 будут смещены в обратном направлении и ток базы этого транзистора будет протекать через коллекторный переход транзистора Т2, который находится в состоянии насыщения. В режим насыщения перейдет также транзистор T4 и запрется транзистор Т3. На выходе будет сигнал 0.

Соединения в корпусе интегральной микросхемы UCY7400 показаны на рис. 12.13.

Техника ТТЛ-схем отличается высоким быстродействием, простотой реализации, малым потреблением мощности и большой нагрузочной способностью. Благодаря этим достоинствам схемы ТТЛ являются наиболее распространенными логическими схемами.

Рис. 12.13. Соединения в интегральной микросхеме типа UCY7400

Это специальные коммутационные схемы со многими входами и выходами, причем на входах могут возникать все комбинации состояний, но только на одном из выходов может появиться сигнал, являющийся откликом на заранее определенную комбинацию входных состояний. Часто применяются диодные матричные схемы, которые используются в качестве декодеров или иначе дешифраторов например для преобразования информации из одного кода (двоичного) в другой (десятичный).

Принцип действия матричной схемы состоит в том, что состояние на отдельных входах влияет на смещение диодов, подключенных в матричной схеме к этим входам. В зависимости от этого смещения отдельные диоды открыты либо закрыты, что непосредственно влияет на выходные сигналы на отдельных выходах. Рассмотрим это на примере матричной схемы, изображенной на рис. 12.14.

Рис. 12.14. Матричная схема

Диоды управляются триггерами, которые на одном выходе дают напряжение, позволяющее открываться диодам, подключенным к этому выходу, а на другом выходе — напряжение, запирающее диоды, соединенные со вторым выходом. Если принять, что открыты диоды Д3 и Д4, соединенные с выходом 2 триггера I, и диоды Д7 и Д8, соединенные с выходом 4 триггера II, то закрыты диоды Д1 и Д2, соединенные с выходом 1 триггера I, а также диоды Д8 и Д6, соединенные с выходом 3 триггера II. Проводящие открытые диоды вызывают закорачивание выходных резисторов, соединенных с этими диодами, т. е. в рассматриваемом случае закорачивание резисторов R2, R3, R4. Следовательно, выходной сигнал появляется лишь на резисторе R1, не имеющем соединения ни с одним из открытых диодов. Когда состояние триггеров таково, что смещение в направлении пропускания действует в точках 1 и 4, а смещение в направлении запирания — в точках 2 и 3, то выходной сигнал матричной схемы появляется только на резисторе R2.

Возможны еще случаи, когда выходной сигнал появляется только на резисторе R3 или R4. Таким образом, каждой из возможных комбинаций входных сигналов соответствует лишь один выходной сигнал, появляющийся на другом выходе. На этом принципе, используя, например, на входе матричной схемы четыре триггера, состояние которых представляют двоичные цифры, можно получить сигналы, пригодные для управления индикаторами, представляющими данное двоичное число в десятичной форме.

Комбинационными логическими схемами называются схемы, в которых выходной сигнал зависит только от входных сигналов, существующих в данный момент, т. е. схемы без «памяти». К комбинационным схемам относятся логические элементы И, НЕ, И — НЕ, ИЛИ — НЕ и др. Это схемы, работающие без ПОС. Отсюда вытекает их другое название: переключающие схемы без ОС или нерегенеративные схемы.

Схемами последовательного действия, или регенеративными, называются схемы, выходной сигнал которых зависит не только от входных сигналов, имеющихся в данный момент, но и от предыдущих входных сигналов. К этой группе схем относятся, в частности, триггеры, которые работают на принципе использования ПОС. Для построения схем последовательного действия можно использовать логические элементы И — НЕ и ИЛИ — НЕ.

В цифровой технике используются различные виды триггерных схем. Одновибратором, если речь идет о цифровой технике, можно считать элемент, который изменяет свое состояние на 1 только в том случае, когда вход тоже изменит свое состояние на 1. Выход остается в состоянии 1 в течение времени, зависящего от параметров самого триггера, и не зависит от длительности состояния 1 на входе.

Чаще всего используются схемы с двумя устойчивыми состояниями. Раньше применялись триггеры, собранные из дискретных элементов, в настоящее время широко используются триггеры, собранные из логических элементов в виде интегральных микросхем, изготовленных чаще всего по технологии ТТЛ-схем. Это дает возможность технической реализации составных триггерных схем, выполнение которых из дискретных элементов было бы слишком сложным и неэкономичным.

В технике ТТЛ-схем существуют, в частности, триггеры типов RS, D, Т, JK и др. На рис. 12.15 в качестве примера представлена схема мультивибратора, собранного из двух элементов НЕ.

Рис. 12.15. Схема автоколебательного мультивибратора на двух элементах типа НЕ

Триггер RS, называемый также статическим или асинхронным, является относительно простым элементом, образованным из двух соединенных между собой элементов ИЛИ — НЕ (рис. 12.16, а) или И — НЕ. Такой триггер имеет два переключающих входа: вход S (от английского set), называемый установочным или записывающим, а также вход R (от английского reset), называемый входом сброса или стирающим[28]. Эти входы называются асинхронными, поскольку состояния на каждом из этих входов сразу же влияют на изменение состояния выходов. Триггер имеет два выхода Q и Q¯, принимающих противоположные логические значения. Рассмотрим работу триггера RS в четырех возможных случаях: