Цифровые и логические устройства, страница 5

Большой недостаток диодных схем состоит в том, что трудно подключить к выходу указанного элемента входы аналогичных, не нарушив нормальной работы схемы. Необходима "развязка" цепей, согласование, что требует дополнительных устройств.

8.2.4 Транзисторные схемы. Инвертор.

Ни одна полная система логических операций не обходится без инверсии. В качестве хорошего, надежного инвертора используется транзистор (любой модификации). Проанализируем работу изображенной на рис. 8.7 схемы с биполярным npn транзистором. Рядом изображена передаточная характеристика схемы.

Если , транзистор заперт, реализуется высокий уровень выходного напряжения (). С ростом  ток базы будет расти. Будет расти и ток коллектора, а напряжение на коллекторе будет уменьшаться. Сопротивление  выбирается таким, чтобы транзистор входил в насыщенное состояние. При этом  В. Для кремниевых транзисторов, без смещающих диодов, будем иметь  В. Получился типичный инвертор, очень простой.

В реальных микросхемах используются более сложные инверторы, которые имеют малое выходное сопротивление и позволяют подключать к выходу такого инвертора несколько входов типичных элементов (до десятка). На рис. 8.8 приведен пример более сложного инвертора.

Транзистор T₁  фактически является инвертором, а транзисторы T₂и T₃ образуют двухтактный усилитель мощности. Если на вход подать малое напряжение (лог. 0), то транзисторы Т₁ и Т₃ будут заперты, а Т₂  - насыщен. На выходе будет высокий уровень (лог. 1). При высоком уровне входного напряжения транзисторы Т₁ и Т₃ будут насыщены, а Т₂ - заперт. На выходе будет низкий уровень (лог. 0). Смещающий диод D как раз и обеспечивает запирание транзистора Т₂, так как каждый кремниевый  p- n переход в открытом состоянии дает падение напряжения около 0,7 в.

В последующих примерах мы будем рисовать простой инвертор, чтобы не усложнять схемы. Приведем некоторые примеры использования транзисторов.

Приведенная на рис. 8.9 схема, реализует операцию Пирса - "или-не" и представляет базовый элемент резистивно - транзисторной логики. Если среди входных переменных есть логическая единица – высокий уровень, то соответствующий транзистор будет насыщен, и на выходе мы получим логический ноль - низкий уровень.

Схема на рис. 8.10 реализует операцию Шеффера - "и-не" и представляет базовый элемент диодно-транзисторной логики. Диоды осуществляют перемножение (пункт 8.2.3), а транзистор инвертирует сигнал.

8.2.5. Базовый элемент транзисторно–транзисторной логики (ТТЛ).

Рассмотрим схему с простым инвертором, изображённую на рис. 8. 11. Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) Т₁ реализует операцию умножения аналогично тому, как было в предыдущей диодной схеме, а транзистор Т₂ осуществляет инверсию. Схема реализует операцию Шеффера (2-и-не).

Когда на оба входа подан высокий уровень напряжения (порядка 4 в, лог. 1), то эмиттерные переходы закрыты, а коллекторный открыт (он работает как диод). Через него и сопротивление R_б течёт ток, достаточный для насыщения транзистора Т₂. На выходе мы имеем низкий потенциал (лог. 0).

Если на один эмиттер (или на оба) подать низкий потенциал (0,1 в, лог. 0), то соответствующий эмиттерный переход открывается, транзистор Т₁ начинает работать в нормальном режиме и насыщается. Падение напряжения на нём становится малым (U_кэ « 0,2 В). При этом на базе транзистора Т₂ оказывается малое напряжение, равное сумме  (« 0,3 В), и он запирается. На выходе мы имеем высокий потенциал (лог. 1). Число эмиттеров транзистора Т₁ определяет число входных логических переменных.

8.3. Использование полевых транзисторов.

Обычные полевые транзисторы с p – n переходом используются редко. Их характеристики неудобны, когда логические переменные кодируются положительными уровнями. В основном, используются МОП транзисторы с индуцированным каналом. Приведём типичные примеры их использования.

8.3.1. Базовые элементы на МОП транзисторах с n – каналом.