1. Лабораторный практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Исследование логическх элементов ттл

1. Цель работы

Изучение свойств типовых логических элементов (ЛЭ) ТТЛ и устройств на их основе путем экспериментального определения статических характеристик и таблиц состояний.

2. Общие положения

В отличие от аналоговой техники, где сигналы могут принимать любые значения и быть разного знака, в цифровых устройствах знак сигнала не меняется, а его уровень имеет только два значения: низкий, соответствующий «нулю», и высокий, принимаемый за «единицу». Информационным признаком цифрового сигнала может быть изменение уровня 0–1 или 1–0 , а также количество этих изменений (импульсов).

2.1. Логические элементы

Простейшими цифровыми устройствами являются логические эле­менты (ЛЭ), на основе которых строятся более сложные арифметичес­кие и другие комбинационные устройства. Математически сигналы на входе и выходе ЛЭ представляются в виде двоичных переменных, а связь между ними выражается логической функцией (ЛФ) или таблицей состояний. Основные логические операции, реализуемые типовыми ЛЭ, и их обозначения приведены в табл. 1.1.

Таблица состояний (истинности) содержит строку с обозначени­ем всех входных и выходных переменных, а также строки с численны­ми значениями этих переменных, которые заполняются нулями и еди­ницами по определенным правилам.

Для входных переменных X₁, X₂,.. X_n сочетания нулей и единиц в каждой строке должно образовывать двоичное число, соответствую­щее номеру строки, начиная с нулевой. Общее число таких строк К определяется выражением , где n – число входных переменных. Выходная переменная Y для каждой строки определяется по ЛФ, в которую подставляется соответствующее сочетание входных переменных.

Таблица 1.1

Логическая операция	Логическая функция	Графическое обозначение ЛЭ	Обозначение типа ЛЭ
И			ЛИ
ИЛИ			ЛЛ
НЕ			ЛН
И-НЕ			ЛА
ИЛИ-НЕ			ЛЕ
Исклю­чающее ИЛИ			ЛП

Пример заполнения таблицы состояний для ЛЭ 2И-НЕ с двумя вхо­дами показан в табл. 1.2.

В настоящее время ЛЭ выпускаются в виде интегральных микросхем (ИС), выполненных на одном кристалле по специальной техноло­гии. Все ИС объединены в серии по используемым элементам, напряжению питания и другим признакам. Наиболее широко в цифровой тех­нике применяются ИС на основе биполярных транзисторов (транзис­торно-транзисторная логика ТТЛ) и полевых комплементарных транзисторов структуры металл-окисел-полупроводник (КМОП). Таблица 1.2

X1	X2	Y
0 0 1 1	0 1 0 1	1 1 1 0

Преимуществом ИС ТТЛ является высокое быстродействие, а ИС КМОП отличаются простотой схемы и малой потребляемой мощностью. Так как ЛЭ ТТЛ имеют более

сложную схему и специфические условия согласования с источником сигнала, то целесообразно обратить на них особое внимание.

2.2. Принцип действия базового ЛЭ ТТЛ

Базовым ЛЭ ТТЛ является элемент И-НЕ, на основе которого строятся другие типы ИС. Упрощенная схема базового ЛЭ 2И-НЕ серии К155 и его графическое обозначение приведены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальная схема базового ЛЭ 2И-НЕ и его графическое обозначение

Схема содержит три каскада, первый из которых выполнен на многоэмиттерном транзисторе VT1 и выполняет основную логическую опе­рацию И. Диоды VDI и VD2 на входах ЛЭ защищают от пробоя эмиттерные переходы VT1 при отрицательных импульсах помехи на входе ЛЭ. Резистор R1 ограничивает ток базы VT1.

Второй каскад на транзисторе VT2 является фазорасщепителем и формирует на своих двух выходах сигналы противоположных уровней.

Третий каскад – двухтактный усилитель мощности на транзисторах VT3 и VT4. Служит для повышения нагрузочной способности ЛЭ. Резистор R4 защищает выход ЛЭ при коротких замыканиях нагрузки и ограничивает сквозной ток через транзисторы VT3 и VT4 при их переключении. Диод VD3 обеспечивает надежное запирание VT3.

Схема работает следующим образом. Если хотя бы на один из входов ЛЭ подан сигнал низкого уровня (логический нуль), например, < 0,4 В, то за счет прямого напряжения источника питания (ИП) открывается соответствующий переход база–эмиттер (Б–Э) VT1, и через него протекает во входную цепь сравнительно большой ток, ограниченный резистором R1:

При этом транзисторы VT2 и VT4 оказываются закрытыми, так как низкого потенциала базы VT1 ( ) недостаточно для отпирания трех переходов: коллекторного VT1 и двух эмиттерных VT2 и VT4. Высокий потенциал на коллекторе закрытого VT2 обеспечивает отпирание VT3, который переходит в режим насыщения. Открытый транзистор VT3 подключает выход ЛЭ через R4 и VD3 к шине питания , и на выходе ЛЭ получаем сигнал высокого уровня (логическую единицу):

Без нагрузки падением напряжения на резисторе R4 можно пренебречь, так как протекающий через него ток отсечки VT4 мал. При подключении это падение увеличивается и уменьшается.

Если на все входы ЛЭ поданы сигналы высокого уровня: > 2,4 В, то переходы Б–Э транзистора VT1 закрываются, входной ток уменьшается и меняет направление. Его значение определяется обратным током р–n перехода ( < 40 мкА). В этом случае переход Б–К VT1 открывается и через него от ИП в базу VТ2 протекает ток, ограниченный сопротивлением R1. VT2 открывается и открывает VT4, который входит в режим насыщения и подключает выход ЛЭ к общей шине. Кроме того, этот выход отключается от ИП, так как VT3 закрывается низким потенциалом коллектора открытого VT2. Выходной сигнал уменьшается до уровня логического нуля, который определяется напряжением насыщения коллекторного перехода VT4 ( < 0,3 В). Таким образом, схема выполняет логическую операцию И-НЕ в соответствии с табл. 1.2.

2.3. Передаточная и входная характеристики ЛЭ ТТЛ

Передаточная характеристика выражает зависимость .

Д ля ЛЭ И–НЕ эта зависимость обратна и нелинейна, а ее график имеет три основных участка (рис. 1.2, а).

а б

Рис. 1.2. Характеристики ЛЭ ТТЛ: а – передаточная; б – входная

На первом участке (точки 1–2) открыт выходной транзистор VT3 и закрыт VT4, выходное напряжение максимально . На третьем участке (точки 6–7) транзистор VT3 закрыт, а VT4 открыт и выходное напряжение минимально . На втором наклонном участке

(точки 3–4–5) транзисторы VT3, VT4 переключаются и через них может проходить достаточно большой сквозной ток от ИП. В этом режиме ЛЭ должен работать минимальное время, так как на транзисторах VT3 и VT4 выделяется максимальная мощность.

Входная характеристика выражает зависимость .

Эта зависимость также обратна и нелинейна (рис. 1.2, б). При логичес­ком нуле на входе ток максимальный по величине и вытекающий из ЛЭ по направлению. Это ток ИП, проходящий через открытый пере­ход Б–Э VT1. Если на вход ЛЭ подан сигнал высокого уровня, пере­ход Б–Э закрыт, входной ток имеет минимальную величину, соз­дается источником сигнала и является втекающим по направлению.

2.4. Условия согласования ЛЭ ТТЛ с источником сигнала

Эти условия нормируют уровни напряжений:

логического нуля (0< < 0,4 В) и логической единицы (2,4В < < 5 В), а так­же сопротивление источника сигнала . Сопротивление не должно превышать определенной величины при логическом нуле на входе, чтобы исключить образование ложной единицы за счет падения напряжения на от вытекающего тока :

.

При сопротивление может быть любым (0 < < ), так как переход Б–Э VT1 закрыт, а переход Б–К открыт и его состояние не зависит от сопротивления входной цепи. Обрыв входной цепи ЛЭ («висячая» единица) дает такой же результат, как действие потенциальной единицы. Поэтому ЛЭ ТТЛ может управляться контактом выключателя без источника входного сигнала