Результат интеллектуальной деятельности: Триггерный логический элемент И-НЕ/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 логический элемент ИЛИ/ИЛИ-НЕ [1 Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. - М.: Радио и связь, 1981, стр. 51, рис. 2.26, б], содержащий шесть транзисторов, один диод, пять резисторов и источник питающего постоянного напряжения.

Недостаток его заключается в том, что у него малая нагрузочная способность. Электрический ток только одного транзистора формирует электрический ток внешней нагрузки. Если бы удалось увеличить число транзисторов, формирующих ток нагрузки, то это бы привело к увеличению максимальной силы электрического тока внешней нагрузки логического элемента и в результате к повышению нагрузочной способности. Схема приведенного элемента имеет два входа, каждый из которых является двухвходовым (содержит два вывода, которые относительно «земли» образуют два входа).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа логический элемент ИЛИ/ИЛИ-НЕ [Манаев Е.И., Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 342, рис. 14.23), содержащий шесть транзисторов, пять резисторов и два источника постоянного напряжения.

Недостаток его заключается в малой нагрузочной способности. Электрический ток только одного транзистора формирует ток внешней нагрузки. Если бы удалось увеличить число транзисторов, формирующих электрический ток внешней нагрузки, то это бы привело к увеличению максимальной силы электрического тока нагрузки логического элемента и в результате к повышению нагрузочной способности. Приведённый логический элемент относится к ЭСЛ элементам (ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика).

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

Это достигается тем, что в триггерный логический элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ, содержащий источник питающего постоянного напряжения, минусовой вывод которого соединен с общей шиной и заземлен, параллельно включенные первый, второй и третий n-p-n транзисторы, выводы баз второго и третьего транзисторов образуют относительно «земли» два входа для ИЛИ-НЕ логического элемента, первый резистор, включенный между плюсовым выводом источника питающего постоянного напряжения и общим выводом коллекторов первого, второго и третьего транзисторов, второй резистор, включённый между «землей» и общим выводом эмиттеров этих же трех транзисторов (первого, второго и третьего), последовательно включенные третий резистор и четвертый тоже n-p-n транзистор, свободный вывод третьего резистора подсоединен к общему выводу первого резистора и плюсового вывода источника питающего постоянного напряжения, эмиттер четвертого транзистора подключён к общему выводу второго резистора, эмиттеров первого, второго и третьего транзисторов, к базе четвертого транзистора подсоединён плюсовой вывод источника опорного напряжения, минусовой вывод этого источника заземлен, последовательно между собой включённые пятый n-p-n транзистор и четвёртый резистор, подсоединенный к эмиттеру пятого транзистора, также имеется пятый резистор, введены двухэмиттерный n-p-n первый дополнительный транзистор, p-n-p второй дополнительный транзистор, дополнительный резистор и изменено включение элементов, коллектор первого дополнительного транзистора соединён с базой первого транзистора, два вывода двух эмиттеров первого дополнительного транзистора образуют относительно «земли» два входа для И-НЕ логического элемента, между базой первого дополнительного транзистора и общим выводом первого, третьего резисторов, плюсового вывода источника питающего постоянного напряжения включен дополнительный резистор, эмиттер второго дополнительного транзистора подсоединен к общему выводу первого резистора и коллекторов первого, второго и третьего транзисторов, база второго дополнительного транзистора подключена к общему выводу третьего резистора, коллекторов четвертого и пятого транзисторов, коллектор второго дополнительного транзистора подсоединен и к базе пятого транзистора, и к одному из двух выводов пятого резистора, свободный вывод этого пятого резистора соединен со свободным выводом четвертого резистора и их общий вывод образует относительно «земли» выход логического элемента.

Сущность изобретения поясняется схемой триггерного логического элемента И-НЕ/ИЛИ-НЕ (фиг. 1) и таблицей истинности для И-НЕ (фиг.2) и таблицей истинности для ИЛИ-НЕ (фиг. 3).

В триггерном логическом элементе И-НЕ/ИЛИ-НЕ общая шина (минусовой вывод) источника 1 питающего постоянного напряжения заземлена. К выходу (плюсовой вывод) питающего источника подсоединен один из выводов резистора 2. Другой вывод этого резистора подключен к базе двухэмиттерного n-p-n транзистора 3. Два вывода эмиттеров этого транзистора образуют относительно «земли» для И-НЕ два входа х₁ и х₂ логического элемента. Параллельно между собой включены n-p-n транзисторы 4 и 5. База транзистора 4 подсоединена к коллектору транзистора 3. База транзистора 5 образует относительно «земли» один (первый Х₁) из двух входов для ИЛИ-НЕ логического элемента. Резистор 6 включен между общим выводом резистора 2 и плюсового вывода источника 1 и общим выводом коллекторов транзисторов 4 и 5. Резистор 7 включен между общим выводом эмиттеров транзисторов 4 и 5 и «землей». Коллектор транзистора 8 подсоединен к общему выводу резистора 6 и коллекторов транзисторов 4 и 5. Вывод базы транзистора 8 образует относительно «земли» второй вход Х₂ для ИЛИ-НЕ логического элемента. Эмиттер транзистора 8 подключён к общему выводу резистора 7 и эмиттеров транзисторов 4 и 5. Последовательно между собой включены резистор 9 и n-p-n транзистор 10. Свободный вывод резистора 9 подсоединён к общему выводу резисторов 2, 6 и плюсового вывода источника 1 питающего постоянного напряжения. Эмиттер транзистора 10 подключен к общему выводу резистора 7 и эмиттеров транзисторов 4, 5 и 8. С базой транзистора 10 соединен плюсовой вывод источника 11 опорного постоянного напряжения, минусовой вывод этого источника заземлен.

Последовательно включены n-p-n транзистор 12 и резистор 13. Коллектор транзистора 12 подсоединён к общему выводу резистора 9 и коллектора транзистора 10. Свободный вывод резистора 13 соединён с выводом выхода логического элемента относительно «земли». Также последовательно включены p-n-р транзистор 14 и резистор 15. Эмиттер транзистора 14 подсоединен к общему выводу резистора 6, коллекторов транзисторов 4, 5 и 8. База транзистора 14 подключена к общему выводу резистора 9, коллекторов транзисторов 10 и 12. Общий вывод коллектора транзистора 14 и резистора 15 соединен с базой транзистора 12. Свободный вывод резистора 15 подключен к общему выводу резистора 13 и выхода логического элемента.

На фиг. 1 часть схемы на транзисторах 12 и 14 является триггером на транзисторах противоположного типа проводимости, а часть схемы на транзисторах 4, 5, 8 и 10 представляет собой переключатель тока. Резисторы 6 и 9 входят и в состав переключателя тока, и в состав триггера на транзисторах противоположного типа проводимости. На фиг. 1 также приведен пунктирными линиями резистор R_н, условно отображающий внешнюю нагрузку логического элемента.

Триггерный логический элемент И-НЕ/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 (ближе к нулю), высокий уровень – уровень логической единицы соответствует значениям напряжения в районе единиц вольт (нередко в районе четырёх вольт).

Триггер на транзисторах 12, 14 противоположного типа проводимости имеет два состояния равновесия. В первом (условно) состоянии оба транзистора закрыты и не проводят электрический ток. Тогда в том числе на резисторах 9 и 15 нулевые значения напряжения. Они прикладываются к базам транзисторов 12, 14 меньше пороговых напряжений этих транзисторов по абсолютной величине и в итоге поддерживают эти транзисторы в закрытом состоянии. Во втором (условно) состоянии транзисторы 12 и 14 открыты, их электрические токи создают напряжения в том числе на резисторах 9 и 15 по абсолютной величине и по значениям больше пороговых напряжений транзисторов и поддерживают транзисторы 12, 14 в открытом состоянии. Триггер на транзисторах противоположного типа проводимости, как и другие распространённые триггеры, переходит из первого состояния во второе и наоборот, когда управляющие входные напряжения по своим значениям превышают значения напряжений соответствующих порогов срабатывания триггера.

Работа логического элемента И-НЕ/ИЛИ-НЕ отражается таблицей истинности для операции И-НЕ при Х₁=Х₂=0 (фиг. 2) и таблицей истинности для операции ИЛИ-НЕ при х₁=х₂=0, где х₁, х₂, Х₁, Х₂ – условное отображение входных сигналов логического элемента, - условное отображение выходного сигнала и N - номер строки по порядку. Обратимся к таблице истинности на фиг.2. На входы Х₁, и Х₂ здесь подаются напряжения уровня логического нуля. Тогда состояние транзисторов 5 и 8 в худшем случае находятся в районе порогового напряжения, сила электрических токов коллекторов этих транзисторов мала, напряжение на резисторе 6 мало по абсолютной величине и по полярности минусом приложено к эмиттеру p-n-p транзистора 14 и не может перевести триггер на транзисторах 12 и 14 во второе состояние. В соответствии с первыми тремя строками таблицы истинности на фиг. 2 на один или оба входа х₁, х₂ логического элемента поступает напряжение уровня логического нуля. Тогда один или оба базо-эмиттерных p-n перехода транзистора 3 открыты и на них весьма малое значение напряжения, как на диодах в проводящем электрический ток состоянии. Базо-коллекторный переход транзистора 3 тоже открыт, в итоге на базе транзистора 4 низкий уровень напряжения и его состояние в худшем случае в районе порогового напряжения. Сила коллекторного тока транзистора 4 мала и напряжение на резисторе 6 тоже имеет малое значение. Кроме того, это напряжение через резистор 9 плюсом приложено к базе p-n-р транзистора 14 и не может перевести его в открытое состояние.

Значение напряжения источника 11 опорного постоянного напряжения выбрано таким, чтобы обеспечивать транзистор 10 в открытом состоянии в изложенном выше состоянии схемы, обеспечивать требующееся значение силы коллекторного тока транзистора 10, соответственно требующееся значение напряжения на резисторе 9, чтобы перевести триггер на транзисторах 12, 14 во второе состояние. Напряжение на резисторе 9 минусом приложено к базе p-n-р транзистора 14. Электрические токи двух транзисторов 12, 14 триггера во втором состоянии формируют электрический ток внешней нагрузки и обеспечивают на выходе логического элемента напряжение уровня логической единицы.

В соответствии с четвертой строкой таблицы истинности (фиг. 2) на два входа х₁ и х₂ логического элемента подается напряжение уровня логической единицы. Базо-эмиттерные и базо-коллекторный переходы транзистора 3 по-прежнему открыты, но на базе транзистора 4 теперь напряжение уровня логической единицы. Сила коллекторного тока транзистора 4 и напряжение на резисторе 6 существенно повышаются. Напряжение на резисторе 6 минусом приложенно к эмиттеру p-n-p транзистора 14 и плюсом через резистор 9 к базе этого транзистора. Такое напряжение поддерживает транзистор 14 в закрытом состоянии. Тогда триггер на транзисторах противоположного типа проводимости в первом состоянии. Сила токов транзисторов 12, 14 триггера в первом состоянии обеспечивает на внешней нагрузке и на выходе логического элемента напряжение уровня логического нуля. Возросшая сила тока транзистора 4 повышает напряжение на резисторе 7, которое плюсом приложено к эмиттеру n-p-n транзистора 10. От этого транзистор 10 переходит в режим близкий к пороговому напряжению. Сила коллекторного тока этого транзистора мала и соответственно мало напряжение на резисторе 9 от этого тока. В базо-эмиттерной цепи p-n-p транзистора 14 напряжения на резисторах 6 и 9 включены встречно и существенно различны по абсолютной величине. Напряжение на резисторе 6 превалирует и обеспечивает приведенное выше состояние схемы с учетом малого значения напряжения на резисторе 9 от коллекторного тока транзистора 10.

Далее обратимся к таблице истинности на фиг. 3. На входы х₁ и х₂ здесь подаются напряжения уровня логического нуля. Тогда, как обосновано ранее, напряжение на резисторе 6 от воздействия напряжений таких сигналов мало, да и по полярности плюсом приложено через резистор 9 к базе p-n-p транзистора 14 и не может перевести триггер на транзисторах 12, 14 во второе состояние. В соответствии с первой строкой таблицы истинности на фиг. 3 на оба входа Х₁ и Х₂ логического элемента поступают напряжения уровня логического нуля. Соответственно сила коллекторных токов транзисторов 5, 8 мала, напряжение от них на резисторе 6 тоже имеет малое значение. В имеющемся состоянии схемы значение напряжения источника 11 опорного напряжения источника 11 обеспечивает требующуюся силу коллекторного тока транзистора 10 и требующееся напряжение на резисторе 9, которое минусом приложено к базе p-n-p транзистора 14 и обеспечивает его открытое состояние с учетом малого значения напряжения на резисторе 6. Тогда триггер на транзисторах 12, 14 во втором состоянии и электрические токи его двух транзисторов обеспечивают на внешней нагрузке логического элемента и на его выходе напряжение уровня логической единицы.

В соответствии с 2, 3 и 4-й строками таблицы истинности на фиг. 3 на базы одного из транзисторов 5, 8 или на оба подается напряжение уровня логической единицы и сила электрических токов этих транзисторов соответственно возрастает. Напряжение на резисторах 6, 7 от них тоже возрастает. Повысившееся напряжение на резисторе 6 плюсом приложено через резистор 9 к базе p-n-p транзистора 14 и переводит его в закрытое состояние или в состояние близкое к пороговому напряжению. Тогда триггер на транзисторах 12, 14 в первом состоянии и близкие к нулю силы токов его двух транзисторов создают на внешней нагрузке логического элемента и на его выходе напряжение уровня логического нуля. Возросшее напряжение на резисторе 7 плюсом прикладывается к эмиттеру транзистора 10 и переводит его в состояние, близкое к пороговому напряжению. Тогда сила коллекторного тока транзистора 10 и, соответственно, напряжение на резисторе 9 весьма малы, не изменяют приведенные выше положения и состояние схемы.

При переходе входных сигналов от уровней логического нуля (X₁=X₂=0) к входным сигналам, где один сигнал или оба соответствуют напряжению уровня логической единицы, суммарная сила эмиттерных токов транзисторов 5, 8 в резисторе 7 возрастает, а сила эмиттерного тока транзистора 10 в этом резисторе убывает. При переходе от входных сигналов, где напряжение одного из них или обоих соответствуют уровню логической единицы, к обоим входным сигналам уровня логического нуля (X₁=X₂=0) суммарная сила эмиттерных токов транзисторов 5, 8 через резистор 7 убывает, а сила эмиттерного тока транзистора 10 через этот резистор возрастает.

Приведённый прототип и триггерный логический элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ относятся к ЭСЛ-элементам (ЭСЛ-эмиттерно - связанная логика). Известно, что ЭСЛ-элементы имеют повышенное быстродействие [например, Гольденберг Л.М. Импульстные устройства – М.: Радио и связь, 1981, стр. 57, раздел «Динамические характеристики» абзацы 1, 2, ... 6].

Таким образом, в триггерном логическом элементе И-НЕ/ИЛИ-НЕ сила электрического тока внешней нагрузки и на выходе логического элемента равна сумме силы токов двух транзисторов 12, 14, что повышает нагрузочную способность этого логического элемента. В прототипе электрический ток нагрузки формирует только один из транзисторов.