В статье будет рассмотрена логика ТТЛ, которая используется до сих пор в некоторых отраслях техники. Всего есть несколько видов логики: транзисторно-транзисторная (ТТЛ), диодно-транзисторная (ДТЛ), на основе МОП-транзисторов (КМОП), а также на основе биполярных транзисторов и КМОП. Самыми первыми микросхемами, которые получили широкое распространение, были те, которые строились по ТТЛ-технологиям. Но нельзя обойти стороной и другие типы логики, которые по сей день применяются в технике.
Диодно-транзисторная логика
Используя обычные полупроводниковые диоды, можно получить самый простой логический элемент (схема приведена ниже). Этот элемент в логике называется «2И». Когда на какой-либо вход подается нулевой потенциал (или сразу на оба), то по резистору начнет протекать электрический ток. При этом происходит существенное падение напряжения. Можно сделать вывод, что на выходе элемента потенциал будет равен единице, если такой точно подать на оба входа одновременно. Другими словами, при помощи такой схемы реализуется логическая операция «2И».
От числа полупроводниковых диодов зависит то, сколько входов будет у элемента. При использовании двух полупроводников реализуется схема «2И», трех – «3И», и т. д. В современных микросхемах выпускается элемент с восемью диодами («8И»). огромный недостаток ДТЛ-логики – это очень маленький уровень нагрузочной способности. По этой причине к логическому элементу необходимо подключать усилитель на транзисторах биполярного типа.
Но намного удобнее реализуется логика на транзисторах, имеющих несколько дополнительных эмиттеров. В таких схемах ТТЛ-логики применен многоэмиттерный транзистор, а не параллельно соединенные полупроводниковые диоды. Этот элемент по принципу схож с «2И». но на выходе высокий уровень потенциала можно получить лишь в том случае, если на двух входах одновременно такое же значение. Эмиттерный ток при этом отсутствует, а переходы запираются. На рисунке приведена типичная схема логики с использованием транзисторов.
Схемы инверторов на логических элементах
При помощи усилителя получается инвертировать сигнал на выходе компонента. Элементы типа «И-НЕ» обозначаются в серийных микросхемах ЛА. Например, микросхема серии К155ЛА3 имеет в своей конструкции элементы типа «2И-НЕ» в количестве четырех штук. На базе этого элемента делается инверторное устройство. При этом применяется один полупроводниковый диод.
Если нужно объединить несколько элементов логики типа «И» по схемам «ИЛИ» (или же если нужно реализовать логические элементы «ИЛИ»), то транзисторы должны быть соединены параллельно в точках, указанных на схеме. При этом получается только один каскад на выходе. Логический элемент типа «2ИЛИ-НЕ» приведен на этом фото:
Эти элементы имеются в микросхемах, которые обозначаются буквами ЛР. А вот логика ТТЛ типа «ИЛИ-НЕ» обозначается аббревиатурой ЛЕ, например, К153ЛЕ5. В ней встроено сразу четыре логических элемента «2ИЛИ-НЕ».
Логические уровни микросхем
В современной технике используются микросхемы с ТТЛ-логикой, у которых питание от 3 и 5 В. Но вот только логический уровень единицы и нуля от напряжения не зависит. Именно по этой причине нет необходимости в дополнительном согласовании микросхем. На графике ниже показан допустимый уровень напряжения на выходе элемента.
Напряжение в неопределенном состоянии на входе микросхемы в сравнении с выходом допустим в меньших пределах. А на этом графике представлены границы уровней логической единицы и нуля для микросхем типа ТТЛ.
Включение диода Шоттки
Но у простых транзисторных ключей есть один большой недостаток – в них имеется режим насыщения при работе в открытом состоянии. Для того чтобы избыточные носители рассасывались, а полупроводник не насыщался, между базой и коллектором производят включение полупроводникового диода. На рисунке приведен способ подключения диода Шоттки и транзистора.
У диода Шоттки пороговое значение напряжения около 0,2-0,4 В, а у p-n-перехода кремния - не менее 0,7 В. А это намного меньше, чем время существования неосновного типа носителей в полупроводниковом кристалле. Диод Шоттки позволяет удерживать транзистор благодаря низкому порогу открывания перехода. Именно по этой причине предотвращается переход триода в режим.
Какие есть семейства ТТЛ-микросхем
Обычно микросхемы такого типа запитываются от источников напряжением 5 В. Существуют зарубежные аналоги отечественных элементов – серия SN74. А вот после серии идет цифровой номер, который обозначает количество и тип логических компонентов. Микросхема SN74S00 содержит в себе логические элементы «2И-НЕ». Есть микросхемы, у которых температурный диапазон более расширенный – отечественные К133 и зарубежные SN54.
Российские микросхемы, аналогичные по составу с SN74, выпускались под обозначением К134. Зарубежные микросхемы, у которых энергопотребление и быстродействие низкие, имеют на конце букву L. Зарубежные микросхемы с буквой S на конце имеют отечественные аналоги, в которых цифра 1 была заменена на 5. Например, известные всем К555 или К531. Сегодня выпускается несколько типов микросхем серии К1533, у которых быстродействие и потребление электроэнергии очень низкие.
Логические элементы на КМОП-транзисторах
Микросхемы, в которых имеются комплементарные транзисторы, основываются на МОП-элементах с p- и n-каналами. При помощи одного потенциала открывается транзистор с р-каналом. Когда происходит формирование логической «1», верхний транзистор открывается, а нижний закрывается. При этом по микросхеме ток не протекает. Когда формируется «0», нижний транзистор открывается, а верхний закрывается. При этом по микросхеме ток протекает. Примером простейшего логического элемента является инвертор.
Обратите внимание на то, что в микросхемах на КМОП-транзисторах не происходит потребление тока в статическом режиме. Потребление тока начинается только при переключении из одного состояния в другое логического элемента. ТТЛ-логика на таких элементах отличается низким потреблением энергии. На рисунке приведена схема элемента типа «И-НЕ», составленного на КМОП-транзисторах.
На двух транзисторах выстроена схема активной нагрузки. При необходимости формирования высокого потенциала эти полупроводники открываются, а низкого – закрываются. Обратите внимание на то, что транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) строится на основе работы ключей. Полупроводники в верхнем плече открываются, а в нижнем закрываются. При этом в статическом режиме микросхема не будет потреблять ток от источника питания.
