2.3.2. Типы выходных каскадов ттл цифровых элементов

Параметры и функциональные возможности элементов микросхемы зависят от выполнения выходного каскада. Цифровые элементы могут иметь выходы следующих типов: логические, с открытым коллектором (стоком), с открытым эмиттером (истоком), с третьим состоянием.

Логический выход

Логический выход формирует два уровня выходного напряжения. Выходное сопротивление логического выхода стремятся сделать малым, способным развивать большие токи для перезарядки емкостных нагрузок. Схемы логических выводов элементов ТТЛ (Ш) и КМОП подобны двухтактным разрядом. В них оба фронта выходного напряжения формируется с участием активных транзисторов, работающих противофазно (рис.2.1). Такой выходной каскад обеспечивает большой выходной ток логического нуля (открыт нижний транзистор T₄) и существенно меньший ток логической единицы из-за ограничивающего сопротивления R₃ и диода D₃.

Особенность таких выходов – их нельзя соединять параллельно. В переходном режиме из-за несинхронности переключения транзисторов возможно протекание импульсов сквозного тока, что вызывает выход транзистора из строя и появление импульсных помех по цепям питания («иголок»). Для устранения помех по цепям питания корпус шунтируют конденсатором порядка 47 нанофарад.

Элементы с тремя состояниями

Элементы с тремя состояниями выхода кроме логических состояний 0 и 1 имеют состояния «отключено», в котором ток выходной цепи пренебрежимо мал. В это состояние (третье) элемент переводится специальным управляющим сигналом, который обеспечивает запертое состояние обоих транзисторов выходного каскада. На схемах этот сигнал управления обозначается OE (Output Enable). При сигнале OE, равным логической единице (высокий уровень), выход элемента имеет высокое выходное сопротивление (отключен). При сигнале OE, равным логическому нулю, выход работает как обычный двухтактный каскад. Выходы этого типа можно соединять параллельно при условии, что в любой момент времени активным может быть только один. Это дает возможность подключения выходов нескольких микросхем к одной линии. На схемах выходы с тремя состояниями обозначается в выходном поле условного графического обозначения микросхемы значком .

Выходные каскады с открытым эмиттером

В выходных каскадах с открытым эмиттером эмиттеры не подключены внутри микросхемы к общему выводу, а подключены к отдельным внешним выводам. Коллекторы транзисторов подключены к выводу напряжения питания. Нагрузка подключается между выводом эмиттера и общим проводом. Такой выходной каскад реализует схему эмиттерного повторителя, обеспечивающего большой вытекающий ток.

Выход с открытым коллектором

Элементы с открытым коллектором (ОК) в качестве выходного каскада используют транзистор, коллектор которого подключен к внешнему выводу на корпусе микросхемы. Транзисторы изготовляются на разное допустимое напряжение питания. Сопротивление нагрузки R_Н подключается между источником питания и выходом с открытым коллектором. Транзистор может находиться или в закрытом состоянии или в состоянии насыщения, при котором на выходе имеется минимальное напряжение. Несколько выходов с ОК можно соединить параллельно, получая логическую операцию, называемую монтажным «или». Действительно, в схеме, показанной на рисунке 2.3, выполняется операция «2или-не»: . В условных графических обозначениях выходной каскад с открытым коллектором обозначается ромбиком с черточкой внизу.

Рис. 2.2. Выходной каскад Рис. 2.3. Выходной каскад

с открытым коллектором монтажное «ИЛИ»

Элементы с ОК используются для подключения к магистрали, при этом обеспечивается их защищенность от повреждений при подаче на выход одновременно «0» и «1» от разных элементов. Недостатком является большое время переключения из 0 в 1 из-за малого тока заряда выходной емкости (емкости линии) через сопротивление R_Н. Величину R_Н ограничивают по величине снизу, чтобы не вызвать перегрузку насыщенного транзистора по току. Ограничение сверху определяется временем перезарядки емкостной нагрузки. Заметим, что длинная линия должна быть нагружена на концах согласующими сопротивлениями, равными волновому сопротивлению линии.

Логический элемент с открытым коллектором используется также для повышения уровня логической единицы выходных сигналов, например, для согласования по уровню с КМОП микросхемами.

Для управления устройствами, потребляющими большой ток, и работы на линию передачи данных выпускаются специализированные микросхемы передатчиков, имеющие выходной каскад с открытым коллектором или каскад с открытыми коллектором и эмиттером.