Результат интеллектуальной деятельности: Триггерный логический элемент ИЛИ-НЕ

Изобретение относится к цифровой схемотехнике, автоматике и промышленной электронике. Оно, в частности, может быть использовано в блоках вычислительной техники, построенных на логических элементах.

Известен двухвходовой логический элемент ИЛИ-НЕ [Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. − М.: Радио и связь, 1987, стр. 348, рис. 1.21, в], содержащий шесть транзисторов, пять резисторов и один диод.

Недостаток его заключается в том, что у него малая нагрузочная способность. Электрический ток только одного из имеющихся транзисторов формирует электрический ток внешней нагрузки на каждом из двух выходов. Если бы удалось увеличить число транзисторов, формирующих ток нагрузки из общего числа имеющихся транзисторов, то это привело бы к увеличению максимальной силы электрического тока внешней нагрузки логического элемента и в результате к повышению нагрузочной способности.

Известен триггер с дополнительной симметрией [Гольденберг Л.М., Импульсные и цифровые устройства. − М.: Связь, 1973, стр. 275, рис. 4.18, в], содержащий два транзистора, четыре резистора и три источника постоянных питающих напряжений.

Недостаток его заключается в том, что у него малая нагрузочная способность, т.к. относительно небольшая часть электрического тока, потребляемого от источника постоянного питающего напряжения, образует электрический ток внешней нагрузки. Это объясняется тем, что одну внешнюю нагрузку в рассматриваемой схеме можно подключать к коллектору или к эмиттеру только одного из двух имеющихся транзисторов. Если бы в формировании электрического тока внешней нагрузки участвовали оба имеющихся транзистора, то это повысило бы нагрузочную способность триггера.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа эмиттерно-связанный логический элемент ИЛИ-НЕ [Манаев Е.И. Основы радиоэлектротехники. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 342, рис. 14.23], содержащий шесть транзисторов, пять резисторов и источник питания.

Недостаток его заключается в малой нагрузочной способности. Электрический ток только одного из шести транзисторов формирует ток внешней нагрузки. Если бы удалось в общем количестве имеющихся транзисторов увеличить число транзисторов, формирующих электрический ток внешней нагрузки, то это привело бы к увеличению максимальной силы электрического тока нагрузки логического элемента и в результате к повышению нагрузочной способности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении нагрузочной способности триггерного логического элемента ИЛИ-НЕ.

Это достигается тем, что в триггерный логический элемент ИЛИ-НЕ, содержащий источник питающего постоянного напряжения, общая шина (минусовая) которого заземлена, последовательно между собой включены первый резистор, первый транзистор (n-p-n) и второй резистор, свободный вывод первого резистора соединён с выходом (плюсовой вывод) источника питающего постоянного напряжения, вывод базы первого транзистора образует относительно «земли» первый вход логического элемента, свободный вывод второго резистора заземлён, второй транзистор (n-p-n), эмиттер которого соединён с общим выводом второго резистора и эмиттера первого транзистора, введены три дополнительных транзистора, четыре дополнительных резистора и изменено включение элементов, последовательно между собой включены первый дополнительный транзистор (p-n-p), первый дополнительный резистор и второй дополнительный транзистор (n-p-n), свободный вывод эмиттера первого дополнительного транзистора соединён с общим выводом первого резистора и коллектора первого транзистора, а вывод эмиттера второго дополнительного транзистора заземлен, общий вывод первого резистора, коллектора первого транзистора и эмиттера первого дополнительного транзистора соединён с коллектором второго транзистора, между собой последовательно включены второй дополнительный резистор, третий дополнительный транзистор (n-p-n) и третий дополнительный резистор, свободный вывод второго дополнительного резистора соединён с общим выводом выхода источника питающего постоянного напряжения и первого резистора, общий вывод второго дополнительного резистора и коллектора третьего дополнительного транзистора подсоединён к базе первого дополнительного транзистора, база третьего дополнительного транзистора подключена к общему выводу коллектора первого дополнительного транзистора и первого дополнительного резистора, свободный вывод третьего дополнительного резистора соединён с общим выводом коллектора второго дополнительного транзистора и первого дополнительного резистора, четвёртый дополнительный резистор включен между «землёй» и общим выводом второго дополнительного резистора, базы первого дополнительного транзистора и коллектора третьего дополнительного транзистора, выход логического элемента ИЛИ-НЕ относительно «земли» образует общий вывод коллектора второго дополнительного транзистора, первого дополнительного и третьего дополнительного резисторов, второй вход логического элемента ИЛИ-НЕ относительно «земли» образует вывод базы второго транзистора.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1).

В триггерном логическом элементе ИЛИ-НЕ общая шина (вывод отрицательного напряжения) источника 1 питающего постоянного напряжения заземлена, а выход соединён с одним из выводов резистора 2. Последовательно с этим резистором включены транзистор 3 (n-p-n) и резистор 4, свободный вывод которого заземлён. Вывод базы транзистора 3 образует относительно «земли» первый вход логического элемента. Коллектор транзистора 5 (n-p-n) соединён с общим выводом резистора 2 и коллектора транзистора 3, эмиттер - с общим выводом резистора 4 и эмиттера транзистора 3. Вывод базы транзистора 5 является относительно «земли» вторым входом логического элемента. Последовательно между собой включены транзистор 6 (p-n-p), резистор 7 и транзистор 8 (n-p-n). Эмиттер транзистора 6 соединён с общим выводом резистора 2, коллектора транзистора 3 и коллектора транзистора 5, а эмиттер транзистора 8 заземлён. База этого транзистора подсоединена к общему выводу резистора 4 и эмиттеров транзисторов 3 и 5. Также последовательно включены резистор 9, транзистор 10 (n-p-n) и резистор 11. Свободный вывод резистора 9 соединён с общим выводом выхода источника 1 питающего постоянного напряжения и резистора 2. Общий вывод резистора 9 и коллектора транзистора 10 подсоединён к базе транзистора 6. База транзистора 10 подключена к общему выводу коллектора транзистора 6 и резистора 7, а свободный вывод резистора 11 соединён с общим выводом резистора 7 и коллектора резистора 8. Резистор 12 включен между «землей» и общим выводом базы транзистора 6, резистора 9 и коллектора транзистора 10. Выход относительно «земли» логического элемента ИЛИ-НЕ образует общий вывод коллектора транзистора 8 и резисторов 7 и 11. На фиг. 1 часть схемы на транзисторах 6 и 10 является триггером на транзисторах противоположного типа проводимости.

Триггерный логический элемент ИЛИ-НЕ работает следующим образом. В цифровой электронике используются входные и выходные электрические сигналы низкого и высокого уровней. Низкий уровень - уровень логического нуля соответствует значениям напряжения в районе нуля (близкому к нулю), высокий уровень - уровень логической единицы соответствует значениям напряжения в районе единиц вольт (нередко в районе четырёх вольт).

1 0 0 1 2 0 1 0 3 1 0 0 4 1 1 0 Табл. 1

Работа двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ отражается известной таблицей 1, где и - условное отображение входных сигналов, - условное отображение выходного сигнала и - номер строки по порядку. В соответствии с первой строкой на обоих входах и имеется низкий уровень напряжения, который обеспечивает пониженное значение силы электрического тока через транзисторы 3 и 5 и пониженное значение напряжения на резисторе 2. Если по абсолютной величине значение напряжения на резисторе 9 больше суммы порогового напряжения (p-n-p) транзистора 6 и напряжения на резисторе 2, то транзистор 6 проводит электрический ток. Требующийся запас по обеспечению такого положения позволяет сделать значение сопротивления резистора 12. Пониженные значения силы электрического тока транзисторов 3 и 5 создают на резисторе 4 пониженное значение напряжения, которое меньше порогового напряжения транзистора 8 и он закрыт. Электрический ток транзистора 6 создаёт на резисторе 7 напряжение, превышающее пороговое напряжение транзистора 10, и он проводит электрический ток, как и транзистор 6. Электрические токи этих двух транзисторов создают на подключенной к выходу внешней нагрузке повышенный уровень напряжения - уровень логической единицы.

В соответствии с 2-4 строками табл. 1 на один из входов или на оба входа и поступает повышенный уровень напряжения, сила электрического тока через один или оба транзистора 3 и 5 имеет повышенное значение, в результате на резисторе 2 повышенный уровень напряжения. Оно минусом приложено к эмиттеру p-n-p транзистора 6, а плюсом через резистор 9 к его базе, и переводит этот транзистор в непроводящее электрический ток состояние. Запас по обеспечению такого положения можно получить за счёт значения сопротивления 4 и за счёт коэффициентов усиления тока базы транзисторов 3 и 5. Тогда на резисторе 7 нулевое значение напряжения, оно меньше порогового напряжения транзистора 10, и он тоже не проводит электрический ток, как и транзистор 6. В результате на внешней нагрузке, подключенной к выходу , напряжение равно нулю. Повышенное значение силы электрического тока через резистор 4 создаёт на нём и на базе транзистора 8 повышенное значение напряжения. Тогда транзистор 8 открыт и через него разряжается эквивалентная паразитная ёмкость (выходная ёмкость логического элемента ИЛИ-НЕ и входная ёмкость нагрузки), время разряда уменьшается и не ухудшается быстродействие схемы.

Таким образом, в триггерном логическом элементе ИЛИ-НЕ сила электрического тока внешней нагрузки равна сумме силы токов двух транзисторов 6 и 10, т.е. двух из имеющихся пяти транзисторов, что повышает нагрузочную способность этого логического элемента. В прототипе электрический ток нагрузки формирует только один из имеющихся транзисторов.