Существует много типов микросхем ТТЛ малой степени интеграции, различающихся по функциональному назначению, нагрузочной способности, схеме выходного каскада. Работа логических элементов этих микросхем достаточно проста. Для элементов И выходной уровень лог. 1 формируется при подаче на все входы элемента уровней лог. 1, для элемента ИЛИ для формирования уровня лог. 1 на выходе достаточно подачи хотя бы на один вход уровня лог. 1. Элементы И-НЕ (основной элемент серий ТТЛ) и ИЛИ-НЕ дополнительно инвертируют выходной сигнал, элемент И-ИЛИ-НЕ состоит из нескольких элементов И, выходы которых подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ.
По нагрузочной способности микросхемы можно разделить на стандартные (№10 для серий К 155 и КР531 и N = 20 и 40 для микросхем серий К555 и КР1533 соответственно), микросхемы с повышенной нагрузочной способностью (N = 30 и более), микросхемы со специальным выходным каскадом, обеспечивающим значительно более высокую нагрузочную способность в одном из логических состояний. Некоторые типы микросхем выпускают с так называемым «открытым» коллекторным выходом.
Отдельно следует отметить специальный класс микросхем с третьим состоянием выходного каскада, называемым также еще «высокоимпедансным», или «Z-состоянием», при котором микросхема отключается по своему выходу от нагрузки. Это, как правило, буферные элементы с относительно большой нагрузочной способностью.
На рис. 2 приведены графические обозначения микросхем ТТЛ, выполняющих функции И-НЕ - самой многочисленной группы простых логических микросхем.
Микросхемы ЛА1 - ЛА4 имеют стандартную для своей серии нагрузочную способность, микросхемы ЛА6 и ЛА12 всех серий, КР1533ЛА21 - КР1533ЛА24 - втрое большую (здесь и далее в тексте в названии оставлена только та его часть, которая определяет тип триггера, счетчика, логического элемента и т. п., если такие же обозначения используются в микросхемах нескольких серий).
Микросхемы ЛА7 - ЛА11, ЛА13, КР1533ЛА23 выполнены с открытым коллектором, нагрузочная способность для ЛА7- ЛА11 в состоянии лог. 0 стандартная, для ЛА13 и КР1533ЛА23 - втрое большая. Максимально допустимое напряжение, которое можно подавать
на выход микросхемы ЛА11, находящейся в состоянии лог. 1, - 12 В, для остальных - 5,5 В.
Микросхема КР531ЛА16 (рис. 2) - два мощных магистральных усилителя, выполняющих функцию 4И-НЕ. Нагрузочная способность каждого усилителя 60 мА в состоянии лог. 0 и 40 мА в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2 В, что позволяет работать на линию связи с волновым сопротивлением 50 Ом, нагруженную на конце. Кроме того, гарантируется, что при выходном напряжении 2,7 В в состоянии лог. 1 выходной ток составляет не менее 3 мА.
Микросхема КР531ЛА17 (рис. 2) - два элемента 4И-НЕ с возможностью перевода выхода в высокоимпедансное состояние при подаче на вход Е лог. 1. При подаче на вход Е лог. 0 выходы активны, допустимые выходные токи составляют 50 мА в состоянии лог. 0 и 32 мА в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2 В, что обеспечивает возможность работы на линию связи с волновым сопротивлением 75 Ом. Дополнительно гарантируется, что при выходном напряжении 2,7 В в состоянии лог. 1 выходной ток составляет не менее 3 мА.
Входные токи микросхем КР531ЛА12, КР531ЛА13, КР531ЛА16, КР531ЛА17 по сигнальным входам в состоянии лог. 0-4 мА, по входам Е - 2 мА.
Микросхема К155ЛА18 (рис. 2) выполнена с открытым коллектором, ее выходное напряжение в состоянии лог. 0 не более 0,5 В при выходном втекающем токе 100 мА и не более 0,8 В при токе 300 мА. Максимальное напряжение на выходе в состоянии лог. 1 — 30 В, что позволяет коммутировать нагрузку мощностью до 9 Вт - электромагнитные реле, маломощные электродвигатели. Лампы накаливания, однако, можно использовать на номинальный ток не более 60 мА, так как сопротивление нити лампы в холодном состоянии значительно меньше номинального.
Микросхема КР531ЛА19 (рис. 2) - двенадцативходовый элемент И-НЕ с возможностью перевода выхода в высокоимпедансное состояние при подаче лог. 1 на вход Е. В состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2,4 В микросхема допускает выходной ток до 6,5 мА, в состоянии лог. 0-20 мА.
Микросхема К155ЛП7 (рис. 2) - два стандартных логических элемента И-НЕ с двумя объединенными входами и два n-р-n транзистора с предельно допустимым коллекторным напряжением 30 В и максимальным током коллектора 300 мА. Подложка микросхемы подключена к выводу 8, что позволяет, подключив ее к источнику отрицательного напряжения, коммутировать транзистором и отрицательные сигналы, не выходящие по амплитуде за напряжение этого источника.
На рис. 3 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию ИЛИ-НЕ. На входах микросхем К155ЛЕ2, К155ЛЕЗ установлены дополнительные элементы И, позволяющие стробировать входные сигналы. Нагрузочная способность микросхем ЛЕ1 - ЛЕ4, КР531ЛЕ7 стандартная для соответствующей серии, микросхем К155ЛЕ5 и К155ЛЕ6 в состоянии лог. 0-48 мА, что соответствует N = 30, в состоянии лог. 1 - выше. Микросхема К155ЛЕ5 может обеспечить при выходном напряжении 2,4 В вытекающий ток 2,4 мА, микросхема К155ЛЕ6 - 13,2 мА. Для микросхемы К155ЛЕ6
нормирован также ток при выходном напряжении 2 В - он составляет не менее 42,4 мА, то есть эта микросхема может обеспечивать работу на нагрузку 50 Ом, например, на коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом, согласованный на конце.
Микросхемы КР1533ЛЕ10 и КР1533ЛЕ11 имеют нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. Микросхема КР1533ЛЕ11 выполнена с открытым коллектором, максимальное напряжение, которое можно подать на ее выход в закрытом состоянии, - 5,5 В.
На рис. 4 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию И. Микросхемы ЛИ1, ЛИЗ, ЛИ6 имеют стандартную для своих серий нагрузочную способность, микросхемы ЛИ2
и ЛИ4 выполнены с открытым коллектором, их нагрузочная способность в состоянии лог. 0 стандартная, в состоянии лог. 1 допускается подача напряжения 5,5 В.
Микросхема К155ЛИ5 выполнена с открытым коллектором, ее нагрузочная способность такая же, как у К155ЛА18.
Микросхемы КР1533ЛИ8 и КР1533ЛИ10
имеют нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии.
На рис. 5 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию ИЛИ. Микросхема ЛЛ1 имеет стандартную нагрузочную способность, микросхема К155ЛЛ2 выполнена с открытым коллектором и имеет нагрузочную способность такую же, как К155ЛА18.
Микросхема КР1533ЛЛ4 имеет нагрузоч ную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии
На рис. 6 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию НЕ (инверторы). Микросхемы ЛН1 имеют стандартную нагрузочную способность, а ЛН2, К155ЛНЗ, К155ЛН5 выполнены с открытым коллектором и имеют стандартную нагрузочную способность в состоянии лог. 0. Для К155ЛНЗ и К155ЛН5 дополнительно гарантируется, что при втекающем токе 40 мА выходное напряжение в состоянии лог. 0 не превышает 0,7 В. Допустимое напряжение на выходе микросхемы в состоянии лог. 1 составляет 5,5, 30 и 15 В для ЛН2, К155ЛНЗ и К155ЛН5 соответственно.
Микросхема К155ЛН6 (рис. 6) - шесть мощных инверторов с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Управление состоянием выходов производится по двум равноправным входам управления Е (1 и 15), собранным по схеме, выполняющей функцию И. При подаче на оба указанных входа лог. 0 выходы инверторов переходят в активное состояние и инвертируют входные сигналы, при подаче хотя бы на один вход лог. 1 - переходят в высокоимпедансное состояние.
Нагрузочная способность инверторов довольно велика - при лог. 0 на выходе выходной втекающий ток может достигать 32 мА, при этом выходное напряжение не более 0,4 В, при лог. 1 на выходе выходной вытекающий ток - до 5,2 мА при выходном напряжении 2,4 В.
Микросхема КР1533ЛН7 (рис. 6) - шесть инверторов с повышенной нагрузочной способностью и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Инверторы объединены в две группы,
у каждой из которых свой вход управления. Подача лог. 0 на вход Е1 включает инверторы с выходами 1-4, на вход Е2 - с выходами 5 и 6. Нагрузочная способность микросхемы 12 мА при 0,4 В в состоянии лог. 0 и 3 мА при 2,4 В в состоянии лог. 1.
Микросхема КР1533ЛН8 (рис. 6) - шесть инверторов с повышенной нагрузочной способностью; максимальный уровень в состоянии лог. 0 -0,4 В при втекающем токе 12 мА и 0,5 В при 24 мА, минимальный уровень в состоянии лог. 1 2,4 В при вытекающем токе 3,0 мА и 2,5 В при 0,4 мА.
Микросхема КР1533ЛН10 имеет нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. Микросхема выполнена с открытым коллектором, максимальное напряжение, которое можно подать на ее выход в закрытом состоянии - 5,5 В.
На рис. 7 приведены графические обозначения микросхем, выполняющих функцию И-ИЛИ-НЕ и расширителей И-ИЛИ. Все микросхемы И-ИЛИ-НЕ имеют стандартные выходы, кромеКР531ЛР10, которая выполнена с открытым коллектором, допустимое напряжение для нее в состоянии лог. 1 - 5,5 В. Следует отметить различие микросхем К155ЛР4 и К555ЛР4, КР1533ЛР4, а такжеК555ЛР11, КР1533ЛР11 и КР531ЛР11. Микросхемы К155ЛР1, К155ЛРЗ, К155ЛР4 имеют входы для подключения расширителей И-ИЛИ К155ЛД1 и К155ЛД2, увеличивающих число групп И в функции ИЛИ этих микросхем. Аналогичные входы для расширения числа входов по ИЛИ имеет микросхема К155ЛЕ2.
Однако более простой способ построения элементов И или ИЛИ с большим числом входов - каскадное соединение микросхем,
выполняющих функции И-НЕ и ИЛИ-НЕ. На рис. 8 (а) приведена схема элемента И на 16 входов, на рис. 8 (б) - элемента ИЛИ на 32 входа. На рис. 8 (в) приведена схема элемента совпадения, формирующего на своем выходе лог. 1 при лог. 1 на четырех верхних по схеме входах и лог. 0 на трех нижних. Такой элемент может использоваться для дешифрации определенных состояний счетчиков и других устройств.
На рис. 9 приведены графические обозначения микросхем - повторителей входного сигнала.
Микросхема ЛП8 - четыре повторителя входного сигнала с высокоимпедансным состоянием. При лог. 0 на управляющем входе Е сигналы с входа D элемента проходят на выход элемента без инверсии. При лог. 1 на входе Е выход элемента переходит в высокоимпедансное состояние. При лог. 0 на выходе микросхема К155ЛП8 обеспечивает втекающий ток 16 мА, при лог. 1 - вытекающий 5,2 мА, К555ЛП8 - 24 мА и 2,6 мА соответственно.
Микросхема К155ЛП9 (рис. 9) - шесть повторителей входного сигнала с открытым коллектором, ее выходные параметры такие же, как и у К155ЛНЗ.
Микросхема К155ЛП10 (рис. 9) - шесть мощных повторителей с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние.
Логика управления и нагрузочная способность этой микросхемы такие же, как и у К155ЛН6.
Микросхема К155ЛП11 (рис. 9) - шесть мощных повторителей, подобных повторителям микросхемы К155ЛП10, но разбитых на две группы, каждая из которых имеет свой вход управления. Подача лог. 0 на вход Е1 включает повторители с выходами 1-4, вход Е2 управляет выходами 5 и 6. Нагрузочная способность микросхемы К155ЛП11 такая же, как у К155ЛН6.
Микросхемы КР1533ЛП16 и КР1533ЛП17 имеют нагрузочную способность втрое большую стандартной для микросхем этой серии. Микросхема КР1533ЛП17 выполнена с открытым коллектором,
максимальное напряжение, которое можно подать на ее выход в закрытом состоянии - 5,5 В.
Основное назначение микросхем-повторителей входного сигнала, имеющих возможность перевода выходов в высокоимпедансное состояние, - поочередная подача на одну магистраль сигналов от различных источников. Причем благодаря большой нагрузочной способности микросхем магистраль может иметь большую емкость и большое число подключенных к ней нагрузок и источников сигналов. Эти микросхемы находят широкое применение также в качестве буферных элементов, в особенности в микропроцессорных микросхемах. Для таких же целей служат далее рассматриваемые микросхемы, графические обозначения которых приведены на рис. 10.
Микросхема КР531АП2 - четыре пары буферных неинвертирующих элементов с открытым коллектором, частично соединенных между собой. Сигналы могут передаваться со входов А1 - А4 на двунаправленные выходы С1 - С4 при лог. 0 на входе ЕА и лог 1 на входе ЕВ, с двунаправленных выводов С1 - С4 на выходы В1 - В4 при лог. 0 на входе ЕВ и лог. 1 на входе ЕА. При подаче лог. 1 на оба входа ЕА и ЕВ выходы В1 - В4 и С1 - С4 переходят в высокоимпедансное состояние. Одновременная подача лог. 0 на входе ЕА и ЕВ не допускается. Попарное соединение выводов А1 - А4 и В1 - В4 превращает микросхему в четыре двунаправленных ключа, максимальный выходной ток в состоянии лог. 0-60 мА, максимальные входное и выходное напряжения в состоянии лог. 1-10,5 В, входной ток в состоянии лог. 0 не превышает 0,15 мА.
Микросхема АПЗ (рис. 10) - восемь инвертирующих буферных элементов с повышенной нагрузочной способностью и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Элементы разбиты на две группы по четыре, у каждой из групп свой вход управления для включения элементов и их перевода в третье состояние (Е1 и Е2). Включение элементов каждой группы происходит при подаче на соответствующий вход (Е1 и Е2) лог. О, переход в высокоимпедансное состояние - при подаче лог. 1. Выходной втекающий ток микросхемы К555АПЗ в состоянии лог. О при напряжении на выходе 0,5 В может достигать 24 мА, вытекающий в состоянии лог. 1 при напряжении на выходе 2 В - 15 мА. Для микросхем КР1533АПЗ максимальный уровень лог. 0 0,4 В при втекающем токе 12 мА и 0,5 В при 24 мА. Минимальный уровень лог. 1 2,4 В при вытекающем токе 3 мА и 2,5 В при 0,4 мА. Нагрузочная способность микросхемы КР531АПЗ в состоянии лог. 0 64 мА, в состоянии лог. 1 3 мА при выходном
напряжении 2,4 В и 15 мА при 2 В. Входные токи по сигнальным входам D1 - D8 в состоянии лог. 0 0,4 мА.
Микросхема АП4 (рис. 10) - восемь аналогичных буферных элементов без инверсии. Отличие ее в том, что один из входов включения элементов и их перевода в третье состояние (El) - инверсный, подобно АПЗ, второй (Е2) - прямой. Нагрузочная способность этой микросхемы такая же, как у АПЗ.
Микросхема АП5 (рис. 10) - восемь неинвертирующих буферных элементов, обе группы которых имеют инверсные входы управления включением. В остальном эта микросхема аналогична АП4.
Микросхемы АПЗ - АП5 служат для буферизации и коммутации сигналов в микропроцессорных устройствах, например, сигналов адреса, сигналов управления при организации внутренних и внешних шин микро-ЭВМ. Основное их назначение - обеспечение однонаправленной передачи информации. Однако при необходимости с их помощью можно обеспечить и двунаправленную передачу. На рис. 11 в качестве примера показано соединение выводов микросхемы АП4 для получения двунаправленного буферного элемента. При подаче лог. 0 на объединенные между собой входы Е1 и Е2 происходит передача сигнала
от расположенных слева по рисунку выводов микросхемы (входы А1 -А4) к правым (В1 - В4), при подаче лог. 1 - наоборот: от В1 - В4 к А1 -А4. Два треугольника в среднем поле графического обозначения микросхемы символизируют усиление и направление передачи сигнала, верхний - при подаче активного сигнала на вход Е1 (для инверсного входа - лог. 0), нижний - на вход Е2 (для прямого входа - лог. 1).
Интересно отметить, что расположение информационных входов и выходов микросхем АПЗ - АП5 сделано специально такое, как показано на рис. 11, - для удобного их соединения.
Однако для организации двунаправленной передачи информации удобнее использовать специально предназначенные для этой цели микросхемы, описываемые далее.
Микросхема АП6 (см. рис. 10) - восемь двунаправленных неинвертирующих буферных элементов. Кроме двух групп информационных выводов А1 - А8 и В1 - В8, микросхема имеет два входа управления - Е и Т. Сигнал лог. 0, подаваемый на
вход Е, разрешает включение буферных элементов, лог. 1 - переводит все выводы микросхемы в Z-состояние. Сигнал на входе Т действует при лог. 0 на входе Е и определяет направление передачи сигналов - при лог. 1 на входе Т выводы А1 - А8 являются входами, В1 - В8 - выходами, при лог. 0 - наоборот; В1 - В8 - входы, А1 - А8 - выходы. Два треугольника у входа Т символизируют усиление и направление распространения сигнала, верхний - при лог. 1 на входе Т, нижний - при лог. 0.
Микросхема АП6 по своему функционированию (но, к сожалению, не по разводке выводов) соответствует микросхеме КР580ВА86, но потребляет в 1,7 раза меньшую мощность (К555АП6).
Микросхема КР1533АП14 (рис. 10) содержит восемь однонаправленных буферных элементов с возможностью перевода их выходов в высокоимпедансное состояние. При подаче на оба входа разрешения Е лог. 0 выходы микросхемы переходят в активное состояние и на них появляются без инверсии сигналы с соответствующих входов D1 - D8. При поступлении на любой из входов Е лог. 1 выходы переходят в высокоимпедансное состояние. Микросхема КР1533АП15 (рис. 10) аналогична микросхеме КР1533АП14, только она инвертирует входные сигналы.
Микросхема КР1533АП16 (рис. 10) состоит из восьми двунаправленных буферных элементов и, в основном, аналогична микросхеме
КР1533АП6. Она инвертирует сигналы при передаче их с выводов А на выводы В и не инвертирует их при передаче в обратном направлении. На графическом изображении микросхемы КР1533АП16 для отражения этого свойства у вывода Т, определяющего направление передачи информации, верхний треугольник, символизирующий передачу сигналов с выводов А на выводы В при подаче на вход Т лог. 1, дополнен кружком инверсии, а нижний треугольник (на входе Т - лог. 0) показан без такого кружка.
Микросхема ИП6 (рис. 10) - четыре двунаправленных инвертирующих буферных элемента. Логика работы входов управления Е1 и Е2
следующая: при лог. 0 на обоих входах передача сигналов происходит от выводов А1 - А4 к выводам В1 - В4, при лог. 1 на обоих входах - от выводов В1 - В4 к А1 - А4. При лог. 1 на входе Е1 и лог. 0 на входе Е2 все информационные выводы микросхемы переходят в Z-состояние, подача лог. 0 на вход Е1 и лог. 1 на вход Е2 одновременно недопустима. Треугольники на графическом обозначении микросхемы и входов Е1 и Е2 символизируют усиление и направление распространения информации при подаче активных сигналов на эти входы.
Нагрузочная способность микросхемы ИП6 такая же, как у АПЗ.
Микросхема ИП7 отличается от ИП6 только тем, что не инвертирует сигналы.
На рис. 12 в качестве примера показано использование буферных микросхем для подключения внешних устройств к компьютеру «Радио-86РК». Если из всех внешних устройств ограничиться лишь таймером КР580ВИ53, его вполне можно смонтировать на
плате компьютера без буферных элементов. Если же предполагается подключение нескольких внешних устройств (таймер, часы, АЦПУ, модем и др.), из-за малой нагрузочной способности центрального процессора КР580ВМ80 необходимы буферные элементы.
На рис. 12 микросхема DD3 обеспечивает буферизацию управляющих сигналов RD, WR, RES и двух младших адресов АО и А1. Микросхема DD2 буферизирует двунаправленную шину данных. Включение этой микросхемы по входу Е должно происходить лишь при обращении к внешним устройствам, что обеспечивается микросхемой DD1 и элементами D10.4 и D10.3.
В основном варианте компьютера «Радио-86РК» адреса А000Н -BFFFH использованы для микросхемы D14. Практически используются только четыре адреса - А000Н, А001Н, А002Н, А00ЗН. Установкой дешифратора DD1 можно обеспечить при сохранении этих адресов для D14 использование следующих четырех адресов А004Н, АООЗН, А006Н, А007Н - для первого внешнего устройства, например таймера;
следующих четырех А00ЗН - А00ВН - для второго; следующих четырех А00СН - A00FH - для третьего и т. д., всего можно будет подключить семь дополнительных внешних устройств, для каждого из которых будет отведено четыре адреса. Если входы 1,2,4 дешифратора DD1 подключить к другим выходам адреса микропроцессора D6, например, А10, All, A12, на каждое внешнее устройство будет отведено по 1024 адреса.
Элементы D10.4 и D10.3 необходимы для выключения DD2 при обращении микропроцессора к D14, то есть по адресам А000Н - А00ЗН. В этом случае лог. 0 с выхода О DD1 включает D10.3 и лог. 1 с его выхода выключает DD2. Направление передачи сигнала через DD2 определяется сигналом RD. При чтении из внешнего устройства сигнал RD
принимает значение лог. 0 и происходит передача сигналов через DD2 от внешнего устройства к микропроцессору, в остальных случаях - от микропроцессора к внешнему устройству.
На рис. 13 приведены микросхемы -инвертирующие триггеры Шмитта. Микросхема К155ТЛ1 - два четырехвходовых элемента И-НЕ, микросхема ТЛЗ - четыре двухвходовых, микросхема ТЛ2 - шесть инверторов.
Указанные микросхемы при плавном изменении входного сигнала обеспечивают
скачкообразное переключение выходного (рис. 14). При повышении напряжения на входе элемента микросхемы от нуля выходное напряжение скачком изменяется с лог. 1 на лог. 0 при напряжении на входе около 1,65 В. При снижении напряжения на входе обратное изменение выходного напряжения происходит при напряжении на входе около 0,85 В для триггеров Шмитта серий К155 и К555ТЛ2 и около 1,2 В для КР531ТЛЗ.
Триггеры Шмитта применяют для формирования ТТЛ-сигнала из синусоидального, для приема сигналов при большом уровне помех, в формирователях и генераторах импульсов и в других случаях.
На рис. 15, а показана схема формирователя импульса сброса при включении питания, обеспечивающего крутой фронт при большой длительности импульса, на рис. 15, б - простейшего генератора импульсов.
Изучение работы более сложных микросхем удобно продолжить с микросхем последовательностного типа.
