В первых интегральных микросхемах, появившихся в конце 60-х годов, реализовывались главным образом логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ и НЕ. Наиболее популярным семейством логических микросхем тогда были, да и сейчас в какой-то мере остаются микросхемы 74-й серии (аналог К1555), построенные по технологии ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика).
Микросхема 74L500 (K555ЛА3) содержит четыре двухвходовых элемента И-НЕ, объединенные в 14-выводном корпусе. Для питания микросхемы используется напряжение 5 ±0.25 В, прикладываемое между выводами Vсс (обычно около 5 В) и GND. Напряжения логических уровней для этой серии составляют: 2.4...5 В — для ВЫСОКОГО уровня и 0...0.4 В — для НИЗКОГО. При этом большинство КМОП-микросхем могут работать в диапазоне напряжений от 3 до 15 В.
Цоколевка микросхемы 74L500 в корпусе D1Р показана на Рис. 3.1, а. Функция этой микросхемы полностью описывается четырьмя двухвходовыми элементами И-НЕ в положительной логике, поскольку НИЗКИЙ и ВЫСОКИЙ логические уровни эквивалентны логическим значениям 0 и 1. Оператор & (И), изображенный в верхнем прямоугольнике, относится и костальным трем элементам.
Корпус УГО
Рис.2.5. Микросхема К555ЛА3
Выходы логических элементов микросхемы 74L800 (К555ЛА3) построены по двухтактной схеме. При такой структуре выходного каскада каждый из уровней формируется путем подключения выхода через низкоомный ключ к линии Vсс или GND соответственно. НаРис. 2.6, а эти ключи изображены в виде обычных переключателей, хотя на самом деле они, разумеется, выполнены на транзисторах.
Рис.2.6. Типы выходных каскадов
В логических микросхемах (например, таких как К555ЛА3) изменение состояния выхода происходит за время около 10 нс. Чтобы получить такие значения, емкости всех соединительных проводников и входов других микросхем должны быстро разряжаться.
Главным образом именно по этой причине в большинстве цифровых микросхем используется двухтактный выход (называемый также выходом с активной подтяжкой — activepull-uр). Однако в некоторых ситуациях преимущество имеют выходные каскады других типов.
Конфигурация открытый, коллектор (или открытый сток), показанная наРис. 2.6,б, обеспечивает «жесткий» НИЗКИЙ уровень, при этом состояние ВЫСОКОГО уровня соответствует разомкнутой цепи. Напряжение ВЫСОКОГО уровня может формироваться подключением внешнего резистора либо к линии Vсс, либо к отдельной шине питания. Роль подобного резистора могут выполнять некоторые устройства, такие как реле, лампы накаливания или светодиоды. Выходной транзистор таких каскадов часто имеет большую, чем обычно, нагрузочную способность по напряжению и/или току.
Один из наиболее интересных для нас вариантов применения выхода с открытым коллектором показан наРис. 2.7. В этой схеме четыре элемента с выходом типа «открытый коллектор» подключены кодному и тому же подтягивающему резистору. Обратите внимание на символ ▼, используемый для обозначения выхода с открытым коллектором.
Предположим, что на рисунке изображены четыре периферийных устройства, любое из которых может обращаться к процессору (компьютеру или микроконтроллеру). Если этот процессор имеет только один вход для внешнего сигнала прерывания, то четыре сигнальные линии от устройств должны быть объединены вместе по схеме монтажное ИЛИ, как показано на рисунке.
Когда все сигнальные линии находятся в неактивном состоянии (лог. 0), выходы всех буферных элементов НЕ выключены (ВЫСОКИЙ уровень) и общая линия подтянута к Vcc резистором R1. Есликакая-либо из сигнальных линий становится активной (лог. 1), скажем, линия Sig_1, то на выходе соответствующего буфера появляется НИЗКИЙ уровень. В результате, независимо от состояния остальных сигнальных линий, общая линия переключается в состояние НИЗКОГО уровня, прерывая таким образом работу процессора.
Рис2.7. Буферы с открытым коллектором управляют общей шиной
Выходной каскад третьего типа (с тремя состояниями), приведенный на Рис. 3.2, в, обладает свойствами выходов обоих рассмотренных типов. При разрешенном выходе логические состояния формируются обычным образом, т.е. выдачей ВЫСОКОГО и НИЗКОГО напряжения. При запрещении выхода он становится разомкнутой цепью, независимо от функционирования внутренней логической схемы и любых изменений на ее входах. Выход с тремя состояниями обозначается символом ▼.
Рис. 2.8. Совместное использование шины
В качестве примера использования выхода указанного типа рассмотрим ситуацию, показанную наРис. 2.8. В данном случае основному контроллеру требуется прочитать данные с одного из нескольких устройств, подключенных к нему группой общих линий. Поскольку эта магистраль или, иначе, шина данных, является общим ресурсом, в любой момент времени доступ к шине предоставляется только выбранному устройству.
Доступ должен быть закрыт сразу же после считывания данных с тем, чтобы шиной могло воспользоваться другое устройство. Как показано на рисунке, все выходы, подключаемые к шине, обозначаются символом ▼. После выбора устройства управление линиями шины будет осуществлятьсятолько активными логическими уровнями.
Микросхема сдвоенного 4-битного буфера с тремя состояниями 74LS244(К555АП5) имеет выходы с повышенной нагрузочной способностью (обозначаемые символом ▼), специально предназначенные для работы на длинных линиях, имеющих большую емкость.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НА ПАМЯТЬ
- Арифметические действия — не единственные операции, которые можно осуществлять над двоичными числами.
- Логические элементы НЕ, И, ИЛИ выполняют три основные логические операции над двоичными числами.
- Логические элементы выполняются в виде интегральных микросхем
.- Выходы логических элементов микросхем могут быть построены по двухтактной схеме, схеме с открытым коллектором и схеме с тремя состояниями.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какой тип выходного устройства следует выбрать для передачи информации по общей шине?
2. Какие логические операции можно выполнять над двоичными числами?
3. Как расшифровать следующие аббревиатуры: 6НЕ, 4-2И-НЕ, 8ИЛИ, 3-3И-НЕ, 4-2И?
4. Приведите таблицы истинности основных логических элементов.
5. Какой логический элемент можно использовать в качестве программируемого инвертора? Что для этого следует сделать?
