Будь електронний пристрій незалежно від призначення і ступеня складності складається з активних (транзистори, інтегральні мікросхеми) і пасивних (резистори, конденсатори, дроселі) компонентів.

Інтегральна мікросхема (ІМС), або, коротше, мікросхема, являє собою виріб з активних і пасивних елементів і з'єднувальних провідників, виконане в обсязі і на поверхні напівпровідникового кристала таким чином, що створюється певна електронна схема. Кристал поміщений в корпус для захисту від зовнішніх впливів (механічних, кліматичних та ін.) Характерна особливість ІМС – велика щільність упаковки елементів.

Найбільше поширення мають такі види ІМС:

ТТЛ – мікросхеми транзисторно-транзисторної логіки на біполярних транзисторах;

ЕСЛ – мікросхеми емітерний-зв'язаної логіки на біполярних транзисторах;

МОП (або МДП) – мікросхеми на польових транзисторах структури метал – оксид – напівпровідник (метал – діелектрик – напівпровідник);

КМОП – мікросхеми із симетричною структурою на польових транзисторах р- і п-типу.

В даний час для любителів найбільш доступні мікросхеми ТТЛ. З цієї причини саме вони і розглядаються в книзі.

Якщо в пристроях, що збираються з окремих радіоелементів, основним активним компонентом є транзистори, число яких визначає ступінь складності схеми, то в пристроях на ІМС

Рис. 1.1. Логічний елемент І – НЕ з вихідним напругою низького рівня: а – принципова схема, б – умовне графічне позначення

На всіх входах напруга високого рівня

цю роль виконують логічні елементи (ЛЕ). Логічний елемент являє собою електронний пристрій, на входах і виходах якого сигнал може мати тільки один з двох дискретних рівнів напруги: низький або високий. Ці рівні зазвичай називають логічним нулем (нульовий сигнал) або логічної одиницею (одиничний сигнал). Вихідний сигнал пов'язаний з вхідними сигналами певної логічної операцією

Базові елементи різних видів мікросхем (ТТЛ, ЕЗЛ, МОП, КМОП тощо) у функціональному відношенні розрізняються. Базовим вважають елемент з найбільш простою структурою, на основі якого найлегше створювати інші електронні схеми. Для мікросхем ТТЛ таким елементом є логічна схема І-НЕ.

Схема базового ЛЕ И-НЕ сімейства ТТЛ показана на рис. 1.1 та 1.2. Він утворений п – р – / г-транзистори VTJ, VT2, VT3 і VT4. Транзистор VT1 влаштований незвично: він має не один, а кілька

Рис. 1.2. Логічний елемент І – НЕ з вихідним напругою високого рівня: а – принципова схема, б – умовне графічне позначення

Напруга низького рівня хоча б на одному вході

емітерів. Їх число визначає число входів елемента. Випускаються ЛЕ И-НЕ з 2, 3, 4 і 8 входами. Всі входи ЛЕ И-НЕ рівноцінні. Ми розглянемо найпростіший випадок – ЛЕ з двома входами. Крім транзисторів елемент містить чотири резистора і один діод. Структура реального ЛЕ відрізняється від зображеного на малюнку. Крім показаних схемних елементів тут є паразитні транзисторні та діодні структури. При роботі в нормальних режимах вони, однак, замкнені і ними можна спокійно знехтувати.

Наведені на рисунках номінали резисторів характеризують так звані універсальні (стандартні) серії ТТЛ1. У книзі розглядаються прилади тільки цих серій, як найбільш поширені. Для виготовлення пристроїв за схемами, описаним нижче, можна застосовувати ЛЕ И-НЕ та інших серій. При цьому в окремих випадках буде потрібно деяка зміна номіналів навісних радіоелементів.

При розгляді роботи базових ЛЕ И-НЕ зробимо такі припущення (технічно виправдані):

падіння напруги на р – / г-переходах, зміщених в прямому напрямі (тобто проводять), незмінно і дорівнює 0,7 В;

падіння напруги на відкритому (провідному) діоді також незмінно і дорівнює 0,7 В;

падіння напруги на переході колектор – емітер насиченого транзистора дуже малий;

напруга на вході ІМС, що перевищує 2 В, прийнято за високий рівень і вважається логічною одиницею

напруга нижче 0,8 В на вході прийнято за низький рівень і вважається логічним нулем 2.

Розглянемо два випадки роботи елемента.

А. На всі входи ЛЕ И-НЕ подана напруга високого рівня (рис. 1.1). У цьому випадку на його виході діє напруга низького рівня3. Це означає, що транзистор VT3 відімкненого і насичений. Згідно з прийнятим допущенню напруга на базі VT3 одно +0.7 В. Транзистор VT2, емітерний струм якого забезпечує насичення VT3 (Частина цього струму протікає і через резистор R3), теж насичений, тому напруга на його базі дорівнює 1,4 В.

На емітера транзистора VT1 висока напруга, на базу через резистор R1 подано напругу

£/n =-F5B, а напруга на колекторі одно + 1,4 В. У цих умовах переходи емітер – база зміщені у зворотному напрямку, а перехід база – колектор – в прямому, що відповідає інверсному включенню транзистора. При такому включенні коефіцієнт посилення по струму дуже малий. Цим пояснюється той факт, що струм, що протікає через кожний вхід, невеликий – близько 40 мкА.

Через перехід база – колектор транзистора VT1 протікає струм

який є базовим струмом транзистора VT2.

Такого струму достатньо для насичення транзистора VT2. Напруга на колекторі VT2 при цьому буде +0.7 В. Воно замикає транзистор VT4, причому для більшої гарантії доданий діод VD1. Таким чином, транзистор VT4 вимкнений, а вихідний струм ЛЕ дорівнює колекторному струму транзистора VT3. Для логічних елементів І-НЕ ТТЛ універсальних серій зі звичайною навантажувальною здатністю вихідний струм / вих не повинен перевищувати 16 мА.

При напрузі високого рівня на всіх входах ЛЕ И-НЕ на виході діє напруга низького рівня. Транзистор VT1 включений інверсно, VT2 і VT3 відімкнуті й насичені, a VT4 замкнено. Вхідний струм ЛЕ пропорційний числу входів, а також току одного емітера многоеміттерного транзистора, але не перевищує 40 мкА (звичайно дорівнює 10 мкА). Вхідний струм «втікає»1 в ЛЕ. Максимальний вихідний струм 16 мА. Він також «втікає» в ЛЕ.

Б. На один із входів або на всі входи ЛЕ И-НЕ подана напруга низького рівня. На рис. 1.2, а показано, що один з входів підключений до шини Un, а інший до загальної шини. Тепер транзистор VT1 включений нормально. Один з його емітерів (В) має більш низький потенціал, ніж потенціал бази. Ток цього емітера є по суті вхідним. Його значення визначається опором резистора R1 і не перевищує 1,6 мА. Напруження в різних точках схеми вказані на малюнку. Транзистори VT2 і VT3 замкнені (призначення резистора витоку R3 – Охороняти VT3 від відмикання початковим струмом VT2). Транзистор VT4 відімкненого струмом, що протікає через базу і резистор R2, але при цьому не насичується. Якщо / вих ^ 2,3 мА, вихідна напруга високого рівня / 7вих> 2,4 В, т. е. перевищує мінімальний допустимий.

При напрузі низького рівня хоча б на одному з входів ЛЕ И-НЕ на виході діє напруга високого рівня. Перехід емітер – база транзистора VT1 зміщений у прямому напрямку, а перехід база – колектор – у зворотному. Транзистори VT2 і VT3 замкнені, a VT4 відімкненого, але не насичений. Максі м а л ь н ий вхідний струм 1,6 мА. Він «випливає» з ЛЕ. Максимальний вихідний струм 2,3 мА. Він також «випливає» з ЛЕ.

Транзистори VT2, VT3 і VT4 (Рис. 1.1 та 1.2) утворюють так званий складний інвертор. У кожному стані ЛЕ один з двох вихідних транзисторів – VT3 або VT4 – Відімкненого. Завдяки цьому вихідний опір ЛЕ в обох станах досить мало. Тим самим забезпечується швидкий заряд і розряд паразитних ємностей, які можуть бути на виході. Під час перемикання транзисторів VT3 і VT4 з одного стану в інший струм, споживаний ЛЕ від джерела живлення, різко зростає. Причина в тому, що при перемиканнях обидва транзистора протягом досить короткого часу бувають відімкнуті одночасно і струм в ланцюзі харчування обмежений тільки резистором R4 (Близько 130 Ом)1.

Складний інвертор з двох транзисторів VT3 і VT4 має низький вихідний опір, що забезпечує високу швидкодію і можливість підключення до виходу ЛЕ до 10 входів від мікросхем тієї серії.

При перемиканнях кожного ЛЕ крім зростання споживання енергії можлива поява перешкод в шинах харчування. Тому в ланцюзі харчування рекомендується застосовувати фільтри. Часто роль фільтра виконують конденсатори ємністю 0,01 … 0,10 мкФ з малою індуктивністю вводів, що підключаються безпосередньо між шиною живлення і загальною шиною.

Джерело: Димитрова М. І., Пунджев В. п. 33 схеми з логічними елементами І – НЕ: Пер. з болг. – JL: Вища. Ленінгр. отд-ня, 1988. 112 е.: мул.