3.2.4. Типы выходных каскадов Микросхемы с открытым коллектором

Выходы некоторых микросхем выполнены так, что верхний выходной транзистор и относящиеся к нему элементы отсутствуют. Это так называемые элементы со свободным (открытым) коллектором. На их выходе формируется сигнал только низкого уровня. Поэтому для нормальной работы выходного транзистора коллектор такой микросхемы следует подключить к источнику питания через внешнюю нагрузку (рис. 3.29): резистор, элемент индукции, реле и т.п.

Рис. 3.29. Логический элемент с открытым коллектором

Для выпуска таких микросхем есть по меньшей мере две причины:

1. Выходной транзистор может быть использован для управления внешними устройствами, которые к тому же могут работать от других источников питания (см. рис. 3.29 – U_пн). Например, микросхема 155ЛА11 позволяет подводить к выходному транзистору до 30 В. Эти микросхемы легко также вводить в линейный (усилительный) режим.

2. Логические элементы с открытым коллектором допускают параллельное подсоединение нескольких выходов к общей нагрузке. Такое объединение выходов называют монтажной (проводной) логикой.

При подключении к внешнему резистору элемент выполняет функцию И–НЕ. В условном графическом обозначении элемента с открытым коллектором имеется специальный значок – ромб (или подчеркнутый ромб).

Имея дело с монтажной логикой, следует учитывать, что каждый компонент схемы утрачивает самостоятельность и действует как элемент общей системы. Так, если на одном выходе (рис. 3.30) низкий потенциал, то тот же потенциал окажется на выходе всей системы. Чтобы обеспечить логическую 1 на общем выходе, необходимо иметь логические 1 на всех выходах.

Каждый из логических элементов (см. рис. 3.30) производит операцию И-НЕ:

Следовательно,

Преобразовав последнее выражение на основе закона де Моргана, получим

или, можно показать, что

Из этих выражений следует, что логические элементы с объединенными выходами функционируют подобно элементам И–ИЛИ–НЕ, выполняя операцию ИЛИ–НЕ по отношению к входным переменным, связанным операциями И в каждом логическом элементе. Такое толкование послужило причиной наименования монтажное ИЛИ. Однако для положительной логики верно монтажное И.

Рис. 3.30. Псевдомонтажное И: а – схема соединения; б – условное обозначение

Расчет величины сопротивления нагрузки R_н в микросхемах с открытым коллектором можно посмотреть, например, в [9].

Пример микросхем с открытым коллектором серии 155:

ЛН2 – 6 элементов НЕ;

ЛН3 – 6 НЕ с повышенным напряжением питания U_к;

ЛН4 – 6 буферных формирователей;

ЛН5 – 6 элементов НЕ с повышенным U_к;

ЛА7 – 2x4 И –НЕ;

ЛА8 – 4x2 И–НЕ;

ЛА11 – 4x2 И–НЕ с повышенным U_к

ЛА13 – 4x2 И–НЕ буферных формирователей;

ЛА18 – 2x2 И–НЕ с мощным выходом;

ЛИ5 – 2x2 И с мощным выходом;

ЛЛ2 – 2x2 ИЛИ с мощным выходом.

3.2.5. Микросхемы с тремя логическими состояниями

Устройства, оперирующие дискретной информацией, при высоком уровне выходного напряжения имеют малое сопротивление между выводом Выход и шиной питания. В противоположном состоянии у Выхода малое сопротивление по отношению к общей шине. В обоих случаях выходной вывод имеет определенный электрический потенциал, который воздействует на входы последующих приборов.

Существует категория микросхем, способных принимать и третье состояние, когда выход микросхемы отключен от нагрузки. В третьем состоянии выходной ток микросхемы пренебрежимо мал. Такое состояние называют высокоимпедансным. Перевод микросхем в это состояние осуществляется по специальному входу Z. Этот вход часто обозначают ЕZ или ОЕ (Output Enable). В зависимости от конкретного типа микросхемы отключение выхода может осуществляться 1 или 0.

Упрощенная электрическая схема элемента с тремя состояниями и ее условное обозначение представлены на рис. 3.31.

Когда на входе Z низкий уровень, то VT₃ заперт и не влияет на работу схемы. Если вход Z имеет высокий уровень, то транзистор VT₃ открыт, коллектор транзистора VT₂ имеет нулевой потенциал и, следовательно, ток через него не протекает. При этом эмиттер VT₂ также имеет нулевой потенциал. Поскольку базы транзисторов VT₄ и VT₅ соединены с коллектором и эмиттером VT₂, то транзисторы VT₄ и VT₅ закрыты и выходной провод микросхемы отключен и от плюса источника питания и от общего провода.

То есть состояние в отличие от 1 и 0 обозначается буквой Z, и символ такого выхода – ромб с поперечной чертой (рис.3.31.б).

а б

Рис. 3.31. Микросхема с тремя состояниями: а – электрическая схема;

б – условное графическое обозначение

Другой простой вариант перевода микросхемы в третье состояние представлен на рис. 3.32.

В том случае, когда диод VD₃ подключен к эмиттеру и коллектору транзисторов VT₁ и VT₂, а на катод диода подается управляющий сигнал Z с высоким уровнем напряжения (лог. 1), схема работает как элемент 2И–НЕ. Если управляющий сигнал Z представлен низким уровнем напряжения (лог. 0), то эмиттер транзистора VT₁ и коллектор транзистора VT₂ (а соответственно и база транзистора VT₄) подключен через открытый диод VD₃ к общему проводу. В этом случае все транзисторы закрыты, и элемент переходит в третье состояние (Z-состояние).

Рис. 3.32. Второй вариант перевода схемы в третье состояние

В третьем варианте (рис. 3.33) для перевода схемы в Z-состояние используются транзистор и два диода. Здесь транзистор VT₃ соединен непосредственно с базами транзисторов VT₄ и VT₅ и его состояние определяет потенциал баз этих транзисторов. Диоды VD₃ и VD₄ между базами транзисторов VT₄ и VT₅ и коллектором VT₃ включены для исключения влияния цепей друг на друга. Если Z = 0, то транзистор закрыт и микросхема работает в обычном режиме. Если Z = 1, то транзистор VT₃ открыт, базы транзисторов VT₄ и VT₅ через диоды и открытый VT₃ соединены с общим проводом, т. е имеют нулевой потенциал и транзисторы VT₄ и VT₅ закрыты.

Рис. 3.33. Вариант схемы с тремя состояниями

В результате связь логической части элемента с его выходом разрывается, элемент со стороны выхода приобретает высокий импеданс. Уровень потенциала на выходе неопределенный (плавающий) – он может быть любым в зависимости от соотношения токов утечки транзисторов VT₄ и VT₅, если выход схемы ни к чему не подключен.

Переход в третье состояние может происходить из 1 в Z, или из 0 в Z. Для элементов с тремя состояниями вводятся следующие временные параметры для задания задержек распространения:

t_0Z и t_1Z – длительность задержки при переходе из низкого или высокого уровней в третье состояние;

t_Z0 и t_Z1 – длительность задержки при переходе из третьего состояния в состояние низкого или высокого уровней соответственно.

О микросхемах, выходной сигнал которых может принимать значения 0 или 1, говорят, что это микросхемы типа 2С. Микросхемы с открытым коллектором обозначают ОК (ОС), микросхемы с третьим состоянием – 3С (ТС).

Элементы с третьим состоянием выхода разработаны специально для применения в качестве выходного управляемого буфера для подключения цифровых блоков к магистралям, шинам данных. Буфером называют устройство, предназначенное для увеличения мощности, отдаваемой в нагрузку источником сигнала (для увеличения нагрузочной способности источника сигнала). Для этой цели используют микросхемы с выходом ОК. Другая функция буферов – создание двунаправленных линий и мультиплексирование. В этом случае буферы имеют выход 3С.

Под двунаправленными линиями понимаются такие линии, сигналы по которым могут распространяться в двух противоположных направлениях. В отличие от однонаправленных линий, которые идут от одного выхода к одному или нескольким входам, к двунаправленной линии могут одновременно подключаться несколько выходов и несколько входов. Двунаправленные линии могут организовываться только на основе выходов 3С, поэтому почти все буферы имеют именно такие выходы.

Мультиплексированием называется передача сигналов по одним и тем же линиям в разные моменты времени между разными устройствами. Основная цель мультиплексирования состоит в сокращении общего количества соединительных линий. Двунаправленная линия обязательно является мультиплексированной, а мультиплексированная линия может быть как однонаправленной, так и двунаправленной. Но в любом случае к ней присоединяется несколько выходов, только один из которых в каждый момент времени находится в активном состоянии. Остальные выходы в это время отключаются.

С тремя состояниями выхода выпускаются микросхемы различного функционального назначения как комбинационного, так и последовательностного типов. При поочередном действии таких приборов их выходы можно соединять между собой и подключать к общей нагрузке. На рис. 3.34 представлена схема мультиплексирования при работе на общую нагрузку. Выходные сигналы y₁, y₂,…y_n поступают в нагрузку с того элемента, на входе Z которого имеется разрешающий сигнал. Таким способом удается уплотнить каналы передачи данных, а также создавать магистрали с двунаправленными потоками информации.

Поскольку выходной каскад буфера построен на основе двух последовательно включенных транзисторов, подача разрешающих сигналов на Z-входы сразу двух буферов магистрали недопустима: результат будет такой же, как и при объединении выходов двух обычных логических элементов.

Рис. 3.34 схема мультиплексирования

В микропроцессорных устройствах в настоящее время широко используют двунаправленные шинные усилители ДНШУ. Следует отметить, что в таких устройствах обычно используются в качестве выходных каскадов не ключевые элементы, выход которых имеет состояние Z. Это позволяет уменьшить уровень импульсных полей – «иголок», возникающих при коммутации мощных быстродействующих ключей. Если в каждый проводник шины данных установить такой усилитель, то, подав на микросхему команду, можно разрешить передачу сигналов по шине данных слева направо или наоборот. На рис. 3.35, а приведена схема одного двунаправленного канала усиления образованного буферными элементами DD1.1 и DD1.2 Эти составные части ДНШУ имеют взаимно инверсные входы разрешения передачи данных: дляDD1.1 и Z для DD1.2. Если на вход Z подать напряжение низкого уровня, канал будет передавать данные слева направо через DD1.1 (вход х₁, выход у₁), поскольку выход нижнего по схеме усилителя DD1.2 разомкнут. При напряжении высокого уровня Z = 1 данные можно передавать по проводнику шины данных справа налево через DD1.2 (вход х₂,выход у₂). Выход элемента DD1.1 окажется отключенным.

На рис. 3.35, б оба элемента имеют разрешающий вход высокого уровня Z = 1.

Рис. 3.35. Функциональная схема двунаправленного шинного усилителя:

а – передача сигнала по одной линии в обоих направлениях; б – при передаче справа налево – выход на другую линию

Для управления направлением передачи сигнала в этой схеме в линию Z одного из элементов следует поставить инвертор. Тогда при Z = 1 сигнал передается справа налево через элемент DD1.2, при Z = 0 – через элемент DD1.2 слева направо.

На рис. 3.36 показан пример организации двунаправленной шины с помощью буфера К555АП6. Этот восьмиканальный буфер может передавать данные между двумя двунаправленными шинами А и В в заданном направлении.

Рис. 3.36. Включение двунаправленного буфера

При единичном уровне на управляющем входе Т (сигнал Направл.) данные передаются из шины А в шину В, а при нулевом уровне – из шины В в шину А. Единичный уровень на входе ЕZ отключает микросхему от обеих шин.

Микросхемы буферов в отечественной системе обозначений имеют разнообразные обозначения: ЛН, ЛП, АП, ИП, что иногда затрудняет их выбор. Буферы с буквами ЛН имеют инверсию, буферы АП и ИП могут быть с инверсией или без инверсии. Все параметры у буферов довольно близки, отличие в инверсии, в количестве разрядов и в управляющих сигналах

Еще два типа выходных каскадов – с открытым эмиттером и с программируемой схемой выхода – будут рассмотрены при изучении микросхем эмиттерно-связанной логики и микросхем на полевых транзисторах.