Одной из важнейших особенностей любой микросхемы, определяющей ее функциональные возможности и особенности применения является способ выполнения выходного каскада. Наиболее часто используются четыре типа выходных каскадов:
1. Стандартный выходной каскад.
Схема реализована так, что напряжения Uа и Uб всегда изменяются в противофазе. Это означает, что в паре транзисторов выходного каскада всегда один закрыт, а другой открыт.
Такой выходной каскад обеспечивает большой выходной (втекающий) ток при логическом 0 на выходе (I0вых), когда открыт нижний транзистор, и значительно меньший выходной (вытекающий) ток при логической 1 на выходе (I1вых), когда открыт верхний транзистор.
Поскольку такая схема выходного каскада является стандартной, то на ее условно-графическом обозначении это никак не обозначается.
2. Выходной каскад с открытым коллектором.
В такой схеме в качестве выходного каскада используется транзистор, коллектор которого не подключен к источнику питания, а подключен только к внешнему выводу микросхемы, поэтому ее выход должен быть подключен с помощью внешнего резистора к соответствующему источнику питания. Транзисторы выходного каскада могут быть рассчитаны на разное допустимое напряжение питания, отличное от напряжения питания остальной части схемы.
Выходной каскад с открытым коллектором обеспечивает большой выходной (втекающий) ток при логическом нуле на выходе (I0вых).
На условно-графическом обозначении такие микросхемы обозначаются значком à.
3. Выходной каскад с открытым эмиттером.
В такой схеме коллектор подключен внутри микросхемы обычным образом, а эмиттер не подключен к общему проводу, а соединен только с одним из внешних выводов.
Нагрузка к таким микросхемам подключается между выводами эмиттера и общим проводом, т.е. выходной каскад будет представлять собой эмиттерный повторитель, обеспечивающий большой выходной (вытекающий) ток при логической 1 на выходе (I1вых).
На условно-графическом обозначении такие микросхемы обозначаются значком `à.
4.Схема с тремя состояниями на выходе.
Данная схема отличается от схемы со стандартным выходом тем, что в ней напряжения Uа и Uб могут быть как в противофазе (тогда она работает как схема со стандартным выходом), так и в фазе, когда оба напряжения Uа иUб принимают низкий (закрывающий) уровень, что делает невозможным протекание выходных токов через транзисторы. Фактически это равносильно состоянию, когда вывод выхода микросхемы отключен от остальной ее части. В этом случае говорят, что выход находится в третьем состоянии (высокоимпедансном, высокоомном, z-состоянии).
Управление переходом выхода из стандартного режима в третье состояние осуществляется специальным управляющим сигналом OE (Output Enable – разрешение выхода). На условно-графическом обозначении такие микросхемы отмечаются значком à (или Z).
11.Объединение выходов цифровых микросхем
Наконец, выход с тремя состояниями 3С очень похож на стандартный выход, но к двум состояниям добавляется еще и третье — пассивное, в котором выход можно считать отключенным от последующей схемы. На первом и втором уровнях представления такойвыход можно считать состоящим из двух переключателей (рис. 1.9), которые могут замыкаться по очереди, давая логический нуль и логическую единицу, но могут и размыкаться одновременно. Это третье состояние называется также высокоимпедансным или Z-состоянием. Для перевода выхода в третье Z-состояние используется специальный управляющий вход, обозначаемый OE (Output Enable — разрешение выхода) или EZ (Enable Z-state).
Почему же помимо стандартного выхода (2С) были предложены еще два типа выходов (ОК и 3С)? Дело в том, что выходы, имеющие помимо активных еще и пассивное состояние, очень удобны для объединения их между собой. Например, если на один и тот же вход надо по очереди подавать сигналы с двух выходов (рис. 1.10), то выходы 2С для этого не подходят, а вот выходы ОК и 3С — подходят.
При объединении двух или более выходов 2С вполне возможна ситуация, при которой один выход стремится выдать сигнал логической единицы, а другой — сигнал логического нуля. Легко заметить, что в этом случае через верхний замкнутый ключ выхода, выдающего единицу, и через нижний замкнутый ключ выхода, выдающего нуль, пойдет недопустимо большой ток короткого замыкания Iкз. Это аварийная ситуация, при которой уровень получаемого выходного логического сигнала точно не определен — он может восприниматься последующим входом и как нуль, и как единица. Конфликтующие выходы могут даже выйти из строя, нарушив работу микросхем и схемы в целом.
Зато в случае объединения двух выходов ОК такого конфликта в принципе произойти не может. Даже если ключ одного выхода замкнут, а другого — разомкнут, аварийной ситуации не произойдет, так как недопустимо большого тока не будет, а на объединенном выходе будет сигнал логического нуля. А при объединении двух выходов 3С аварийная ситуация хоть и возможна (если оба выхода одновременно находятся в активном состоянии), но ее легко можно предотвратить, если организовать схему так, что в активном состоянии всегда будет находиться только один из объединенных выходов 3С.
Объединение выходов цифровых микросхем совершенно необходимо также при шинной (или, как еще говорят, магистральной)организации связей между цифровыми устройствами. Шинная организация связей применяется, например, в компьютерах и в другихмикропроцессорных системах. Суть ее сводится к следующему.
При классической организации связей (рис. 1.11) все сигналы между устройствами передаются по своим отдельным линиям (проводам). Каждое устройство передает свои сигналы всем другим независимо от других устройств. В этом случае обычно получается очень много линий связи, к тому же правила обмена сигналами по этим линиям (или протоколы обмена) чрезвычайно разнообразны.
При шинной же организации связей (рис. 1.12) все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям (проводам), но в разные моменты времени (это называется временным мультиплексированием). В результате количество линий связи резко сокращается, а правила обмена сигналами существенно упрощаются. Группа линий (сигналов), используемая несколькими устройствами, как раз и называется шиной. Понятно, что объединение выходов в этом случае совершенно необходимо — ведь каждое устройство должно иметь возможность выдавать свой сигнал на общую линию. К недостаткам шинной организации относится прежде всего невысокая (по сравнению с классической структурой связей) скорость обмена сигналами. При простых структурах связи она может быть избыточна.
Но вернемся к типам выходов цифровых микросхем.
На третьем уровне представления (электрическая модель) необходимо уже учитывать, что выходные ключи (рис. 1.9) представляют собой не простые тумблеры (как на первых двух уровнях представления), а транзисторные ключи со своими специфическими параметрами. Однако в большинстве случаев достаточно знать, какой ток может выдать данный выход при логическом нуле ( IOL ) и при логической единице ( IOH ). Величины этих токов не должны превышать суммы токов всех входов, подключенных к данному выходу (соответственно IIL и IIH ). Количеством входов, которое можно подключить к одному выходу, определяется коэффициент разветвления или нагрузочную способность микросхемы. Существуют микросхемы с обычной нагрузочной способностью и с повышенной нагрузочной способностью (больше обычной в два раза и более). Выходы 3С, как правило, имеют повышенную нагрузочную способность (то есть обеспечивают большие выходные токи). Выходы 2С и ОК могут быть как с обычной, так и с повышенной нагрузочной способностью.
Также на третьем уровне представления (электрическая модель) необходимо учитывать выдаваемые выходом микросхемы величины выходных напряжений UOL и UOH. Выходы ОК могут быть рассчитаны как на обычное выходное напряжение логической единицы (UOH = UCC = 5 В ), так и на повышенное напряжение логической единицы (до 30 В). В последнем случае внешний резистор этого выхода (см. рис. 1.9) подключается к источнику повышенного напряжения.
Только в сложных случаях, например, при переводе логического элемента в линейный режим за счет обратных связей, нужен учет других параметров входных и выходных каскадов. Но в этих редких случаях гораздо проще и надежнее не считать ничего самому, а воспользоваться стандартными схемами включения микросхем или подобрать режимы работы и номиналы внешних элементов (резисторов, конденсаторов) непосредственно на макете проектируемого устройства. В отличие от расчетов, такой подход даст полную гарантию работоспособности выбранного решения.
