Лабораторная работа №4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомление с микросхемами логических элементов.
ЗАДАНИЕ
Ознакомление с микросхемами и изучение режимов работы:
а) логических элементов НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ;
б) триггера;
в) цифрового счетчика импульсов;
г) регистра.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В цифровых устройствах используются два вида сигналов:
1 Ступенчатое напряжение двух уровней (рис. 84), высокому напряжению U (потенциалу) приписывается информационное значение 1, низкому напряжению U – значение 0.
2 Прямоугольные импульсы напряжения (рис. 85), наличию импульса соответствует 1, отсутствию – 0.
Рис. 84
Рис. 85 Рис. 86
В этом случае входные X и выходные Y сигналы логических схем (рис. 86) являются двоичными сигналами. Они представляются сочетаниями 1 и 0.
Логические схемы выполняют определенные логические операции (функции) с входными сигналами и результаты этих операций отражают на выходе.
К логическим преобразованиям двоичных сигналов относятся три элементарные операции:
1 Логическое сложение (дизъюнкция) – операция ИЛИ:
;
2 Логическое умножение (конъюнкция) – операция И:
;
3 Логическое отрицание (инверсия) – операция НЕ:
.
Правила выполнения основных логических функций с двумя двоичными переменными X1, X2 таковы:
Инверсия |
|
Конъюнкция |
|
Дизъюнкция | ||||||
Х |
Х1 |
Х2 |
Х1 |
Х2 | ||||||
0 |
1 | |||||||||
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 | |||||
1 |
0 | |||||||||
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 | |||||
| ||||||||||
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 | |||||
| ||||||||||
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Логические функции реализуются в логических элементах, которые создают на базе электронных устройств – диодов, транзисторов, микросхем. В цифровой микросхеме логические операции осуществляются с помощью логических элементов.
В начале развития микроэлектроники микросхема содержала обычно один логический элемент. На рис. 88 показан элемент, относящийся к устройствам резистивно-транзисторной логики (РТЛ). Основными элементами таких устройств являются резисторы и транзисторы. На рис. 89 изображен элемент диодно-транзисторной логики (ДТЛ).
С течением времени импульсные параметра микросхем РТЛ и ДТЛ оказались недостаточными. Для улучшения таких параметров микросхем как быстродействие, помехоустойчивость, экономичность были разработаны новые принципиальные схемы логических элементов, образовавших класс устройств транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) с использованием многоэмиттерных транзисторов (рис. 90).
Среди простых микросхем ТТЛ преобладают приборы с логикой И, . Число микросхем с логикой ИЛИ существенно меньше.
Элемент инверсии или отрицания – элемент не
Элемент НЕ выполняет функцию инверсии входного сигнала (рис. 87).
Х | |
0 |
1 |
1 |
0 |
Рис. 87
На рис. 88 изображена микросхема НЕ, реализующая функцию НЕ при использовании одного входа.
Рис. 88
Пусть на вход X1 элемента (рис. 88) подается напряжение высокого уровня, соответствующее сигналу 1:
.=˙.
Тогда по входной цепи ( + UИП , R1, переход база – эмиттер, ) течет ток базы, приводящий транзисторVT1 в режим насыщения. При этом ток коллектора IК велик, а напряжение коллектора UК, являющееся выходным напряжением UY , мало (близко к нулю), что соответствует сигналу 0:
.=˙.
При подаче на вход X1 низкого напряжения
.=˙
транзистор VT1 закрывается (), так как ток базыIБ мал (). Напряжение на выходе схемы в этом случае велико:
.=˙.
Таким образом, данная схема является инвертором для каждого входа.
В микросхеме НЕ (рис. 89) отсутствуют входные резисторы, снижающие время включения схемы. Они заменены диодами VD1, VD2, VD3.
Рис. 89
Как инвертор схема (рис. 89) работает следующим образом:
– при подаче на вход X1 напряжения низкого уровня
.=˙
открывается диод VD1, вследствие чего понижается напряжение в точке К и уменьшается ток базы транзистора VT1. Транзистор закрывается, напряжение выхода увеличивается до величины UИП :
.=˙;
– при подаче на вход X1 напряжения высокого уровня
.=˙
диод VD1 закрывается, напряжение в точке К увеличивается и растет ток базы транзистора VТ1. Транзистор VТ1 открывается, напряжение на выходе уменьшается практически до нуля:
.=˙.
Для улучшения электрических параметров рассмотренной микросхемы заменяют ячейку диодов VD1 – VD3 многоэмиттерным транзистором VT1 (рис. 90). Каждый n-p переход транзистора играет роль диода.
Рис. 90
При подаче на вход Х1 напряжения низкого уровня
.=˙
на участке база – эмиттер транзистора \/Т1 образуется цепь с малым сопротивлением (): +UИП , резистор RБ1, база – эмиттер VТ1, ключ S1, .
В этом случае мало напряжение на участке база – коллектор транзистора VТ1 и транзистор VТ1 закрыт (). Напряжение на коллектореVТ1, являющееся напряжением базы транзистора VТ2, также мало () и оно закрывает транзисторVТ2.
Вследствие этого напряжение на выхода схемы велико:
.=˙.
При подаче на вход X1 напряжения высокого уровня
.=˙
закрывается переход база – эмиттер транзистора VТ1, так как отсутствует разность потенциалов на этом участке. Образуется цепь тока базы второго транзистора: + UИП , резистор RБ1, база – эмиттер VТ2, .
Транзистор VТ2 открывается, переходя в режим насыщения. Напряжение на выходе схемы уменьшается:
.=˙.
Из рассмотренного следует, что многоэмиттерный транзистор VT1 не инвертирует уровень входного сигнала, роль инвертора играет транзистор VТ2.
На рис. 91 показана схема инвертора, имеющая двухтактный выходной каскад из n-p-n транзисторов VТ3 и VТ4.
Рис. 91
Для поочередного включения выходных транзисторов необходим промежуточный каскад, называемый расщепителем фазы входного сигнала и состоящий из транзистора VТ2, резисторов R2, R3. Расщепитель фаз имеет два выхода: коллекторный (К) и эмиттерный (Э), импульсы на которых находятся в противофазе. Выходные транзисторы включаются поочередно, создавая на выходе высокое или низкое напряжение. Диод VD1 защищает эмиттер транзистора VT1 от пробоя.
Пусть на вход Х схемы (рис. 8) подается напряжение низкого уровня. Ток коллектора транзистора VT1, являющийся током базы транзистора VТ2, при этом равен нулю и транзистор VТ2 закрыт. Поэтому отсутствует ток базы транзистора VТ4, транзистор VТ4 закрыт. При этом открывается транзистор VТ3. На выходе схемы создается высокое напряжение.
При подаче на вход Х напряжения высокого уровня появится ток базы IБ2 и транзистор – фазорасщепитель VТ2 откроется. Часть его эмиттерного тока поступит на базу транзистора VТ4, и транзистор перейдет в состояние насыщения. При этом напряжение UК4 транзистора уменьшится, т.е. напряжение на выходе схемы станет низким, близким к нулю.
Для микросхемы НЕ К155ЛН1 (рис. 92) приводятся основные параметры (табл. 19) и обозначение выводов цоколя микросхемы (рис. 93).
Рис. 92
Таблица 19
Параметр |
Микросхема |
Значение параметра |
I0вых , мА |
К155ЛН1 |
16 |
I1потр. , мА |
33 | |
I0потр., мА |
15 | |
tзд.р. , нс |
22 |
I0вых – стекающий выходной ток для одного инвертора при входном вас напряжении низкого уровня;
I1потр. – потребляемый ток микросхемы при максимальных уровнях напряжений на всех входах;
I0потр. – потребляемый ток микросхемы при минимальных уровнях напряжений на всех входах;
tзд.р – среднее время задержки распространения выходного сигнала для положительного и отрицательного фронта импульса (рис. 121).
Рис. 93
На основе данного инвертора созданы микросхемы серии 155, например И и ИЛИ.