Электрические схемы и принцип работы логических элементов ЭСЛ

В схеме базового элемента ЭСЛ (рис.5.15а) левое плечо ТП образовано

несколькими параллельно включенными транзисторами, число которых определяет число входов. В рассматриваемом ЛЭ это транзисторы VT1 и VT2. На базу транзистора правого плеча VT3 подается опорное напряжение, вырабатываемое источником опорного напряжения (ИОН), выполненного на транзисторе VT4 и элементах R6, R7, R8, VD1 и VD2 и представляющего собой эмиттерный повторитель (ЭП) с температурной стабилизацией напряжения, осуществляемой цепочкой R7, R8, VD1, VD2. ИОН обеспечивает на базе VT3 напряжение U_оп = (U¹ + U⁰)/2 = –1,3 В. Параметры схемы рассчитаны так, что напряжение на эмиттерных переходах транзисторов VT1...VT4 U_БЭ0 = 0,75 В, а у транзисторов VT5 и VT6 U_БЭ0 = 0,8 В.

Определим логические функции, реализуемые базовым элементом в ПЛ. Если хотя бы на один из входов подан уровень логической 1 (например, х₁ = U¹ = – 0,9 В), то соответствующий транзистор левого плеча ТП (в данном случае VT1) будет открыт. При этом потенциал эмиттеров транзисторов VT1, VT2 и VT3 (точка А) окажется равным U_A=-U_X1-U_БЭ01= - 0,9 - 0,75 = -1,65В, а напряжение на эмиттерном переходе VT3 U_БЭЗ = U_ОП – U_А = -1,3 - (-1,65) = 0,35 В, что вызовет запирание этого транзистора. Ток ТП будет протекать через левое плечо ТП и на выходе у₁ формируется низкий потенциал, а на выходе у₂ – высокий. Если на все входы подать напряжение логического 0 (U⁰ = –1,7 В), то транзисторы VT1 и VT2 будут закрыты, а VT3 – открыт, и ток переключится в правое плечо. На выходе у₁ станет высокий потенциал, а на выходе у₂ – низкий.

Из сказанного следует, что по выходу у₁ в ПЛ реализуется функция ИЛИ–НЕ, а по выходу у₂ – функция ИЛИ. Параметры схемы рассчитаны таким образом, что высокий потенциал по выходам у₁ и у₂ составляет » –0,1 В, а низкий – » – 0,9 В. Эти уровни отличаются от стандартных логических уровней 1 и 0 элементов ЭСЛ. Для приведения указанных уровней к стандартным служит вторая ступень, образованная эмиттерными повторителями на транзисторах VT5, VT6 и резисторах R10, R11. Напряжения на выходах y₁ и y₂ повторяют выходные функции у₁ и у₂ первой ступени, но смещены относительно их на уровень –U_БЭ открытых транзисторов VT5 и VT6, примерно равный –0,8 В.

Рисунок 5.15. Схема элемента ЭСЛ

В рассматриваемом элементе базы входных транзисторов через высокоомные резисторы R1 и R2 (50 кОм) подключены к отрицательному полюсу источника питания Е_П1. Благодаря этому транзисторы, входы которых остались незадействованными (свободными), оказываются закрытыми и не влияют на выполнение логических операций. Кроме того, такое подключение источника питания обеспечивает меньшую зависимость выходных напряжений от помех, наводимых в общей шине, а также сохранность микросхем при случайных соединениях выходов с корпусом. Резисторы R9 и R10 в схему не включаются с целью уменьшения рассеиваемой мощности в корпусе микросхемы. Если выходы такого ЛЭ подключаются по входам однотипных элементов, то роль нагрузочных резисторов для VT6 и VT7 будут выполнять резисторы R1, R2 подключаемых элементов. При необходимости в качестве R9 и R10 могут быть подключены внешние резисторы. При этом используется несколько вариантов номиналов этих резисторов: 240 – 500 Ом при использовании одного стандартного источника питания Е_П1 = –5,2 В; 75 или 100 Ом при использовании дополнительного источника питания Е_П2 = –2 В. В любом из перечисленных вариантов входные резисторы R1, R2 из–за своей высокоомности никакого влияния на режимы работы транзисторов VT1, VT2 не оказывают.

Применение дополнительного источника Е_П2 с меньшим напряжением позволяет уменьшить выходной ток и потребляемую мощность.

Особенностью схемотехнического решения ЛЭ ЭСЛ является применение раздельного подключения общей шины (земли) к цепям логической части, включающей ТП и ИОН, и цепям выходных эмиттерных повторителей. Это связано с тем, что в этих цепях наблюдается различный характер потребления электрического тока в момент переключения ЛЭ. Ток, протекающий в шине, связанной с логической частью схемы, примерно постоянный, а в шине, связанной с выходными эмиттерными повторителями он носит импульсный характер, причем сила его тем больше, чем меньше сопротивление нагрузки. Из–за индуктивного характера общей шины импульсные токи вызывают появление в ней импульсного напряжения, которое при подключении к ней коллекторов транзисторов VT5 и VT6 через резисторы R3 и R5 передавалось бы на выход ЛЭ в виде помехи, снижающей помехоустойчивость всего устройства.

Условное обозначение базового элемента ЭСЛ дано на рис. 5.15б.

Наличие двух выходов с прямым и инверсным значениями функций расширяет логические возможности ЛЭ ЭСЛ. В некоторых вариантах элементов ЭСЛ используют расширители, подобно тому, как это делают в ТТЛ – схемах. Для получения более сложных логических функций используют объединение эмиттеров выходных ЭП на общую нагрузку, объединение коллекторов транзисторов двух и более ТП, построение многоуровневых (многоярусных) ТП.