Понимание NOT-элемента (инвертора) в схемах TTL

Однотранзисторный инвертор, хоть и нагляден, не обладает характеристиками для реальной цифровой логики. Практические NOT-элементы используют несколько транзисторов для высокого напряженного усиления, гарантируя чистую работу выходного транзистора в полном отсечке или насыщении, и включают защитные элементы от случайного повреждения.

Схема практического TTL-инвертора

Ниже полная схема функционального TTL NOT-элемента со всеми компонентами для надёжной высокоусиленной работы:

Конструкция использует только резисторы, диоды и биполярные транзисторы (BJT). Альтернативные топологии, например на полевых транзисторах (FET), также реализуют NOT и рассматриваются позже.

Анализ работы схемы NOT-элемента

Высокий вход

Случай: входной логический уровень высок (бинарная «1»). Моделируем соединением входа к Vcc через переключатель:

При высоком входе диод D₁ обратным смещением, ток не течёт. Его цель — защита транзистора от случайных отрицательных напряжений на входе.

В этих условиях база-эмиттер транзистора Q₁ не проводит. Однако Q₁ не используется обычным образом; он функционирует как пара диодов, соединённых обратно-к-обратно. Упрощённая схема ниже иллюстрирует эту роль:

Два диода в Q₁ направляют ток к базе Q₂ или от неё, в зависимости от входного уровня. Для понимания этого управления представьте упрощённый контур только из база-эмиттерных переходов Q₂ и Q₄ как одиночных диодов, остальное убрано:

Когда переключатель «вверх» (к Vcc), ток не течёт через левый управляющий диод Q₁ — нет петли напряжения. Но ток течёт через правый управляющий диод, базу-эмиттер Q₂ и базу-эмиттер Q₄:

Это значит, что в реальном инверторе Q₂ и Q₄ получают базовый ток и открываются, пропуская коллекторный ток. Напряжение от узла двух управляющих диодов до земли ~2,1 В — сумма трёх кремниевых p-n переходов (правый управляющий диод, база-эмиттер Q₂, база-эмиттер Q₄).

Низкий вход

Переведём переключатель «вниз» и наблюдаем:

В этом состоянии весь ток идёт через левый управляющий диод Q₁, а через правый — нет. Хотя полный путь через правый диод и последовательность Q₄ и Q₂ кажется существующим, прямое напряжение левого диода (~0,7 В для кремния) недостаточно для прямого смещения цепочки двух других диодов, блокируя базовый ток в Q₂ и Q₄. Оба транзистора остаются в отсечке.

При высоком входе левый управляющий диод не даёт падения напряжения, позволяя правому проводить базовый ток в Q₂ через резистор R₁:

Достаточный базовый ток насыщает Q₂, подтягивая R₃ достаточно низко для прямого смещения база-эмиттер Q₄, который тоже насыщается. Выходной узел фактически замыкается на землю, выдавая логический «0». Диод D₂ удерживает Q₃ в отсечке.

Анализ выхода при низком входе

Наоборот, при низком входе ток через левый управляющий диод Q₁ выключает Q₂ и Q₄. База Q₃ получает достаточное напряжение для прямого смещения, водит в насыщение. Выход поднимается до высокого уровня (обычно ~4 В, в зависимости от нагрузки и насыщения), давая логическую «1». Инвертор выдаёт идеальную инверсию: «1» на входе → «0» на выходе и наоборот.

Наблюдения по схеме

Особенность этого TTL-инвертора: вход по умолчанию высокий, если оставлен висящим. Тогда ток не течёт через левый управляющий диод, всё смещение R₁ попадает на базу Q₂, открывая его и притягивая выход к нулю:

Транзисторно-транзисторная логика (TTL)

Склонность TTL-элементов к высокому состоянию при висячем входе — фундаментальная черта семейства Transistor-Transistor Logic. Это упрощает проектирование выходов, особенно когда выход одного элемента управляет входом другого, потому что TTL-входу нужен только путь к земле для «0» и может висеть для «1».

Источение и приём тока (Sourcing и Sinking)

Источение тока (Sourcing)

TTL-элемент может и источать, и приёмкать ток через свой тотем-полюсный выход. Когда выход высок, насыщенный Q₃ соединяет выходной узел с Vcc, позволяя току течь от нагрузки, через эмиттер Q₃, обратно к питанию:

Концептуально выход — двухпозиционный переключатель: при «1» соединяет выход с Vcc, при «0» — с землёй.

Приёмка тока (Sinking)

Когда выход низок, транзистор Q₄ соединяет выход с землёй, ток течёт от питания, через нагрузку, в эмиттер Q₄:

Эти двойные возможности — источение при «1» и приёмка при «0» — необходимы для управления широким спектром цифровых нагрузок.

Требования к работе TTL

TTL-входы рассчитаны только на приёмку тока; они по умолчанию высоки при висячем состоянии. Поэтому элемент, управляющий TTL-входом, должен лишь обеспечить путь приёмки для генерации низкого входа. Это избавляет управляющий элемент от необходимости источать ток в принимающий вход.

Выход с открытым коллектором (Open-Collector)

Поскольку TTL-входы не требуют источения, выходную стадию можно упростить, убрав Q₃ — получаем конфигурацию с открытым коллектором. Выход тогда подтягивают к высокому внешним резистором:

Стандартный символ инвертора с открытым коллектором:

Обзор

• NOT (инвертор) выдаёт противоположный логический уровень: низкий вход → высокий выход, высокий вход → низкий выход.
• TTL-элементы — из резисторов, диодов и BJT — дают высокое напряжённое усиление и защиту. Существуют альтернативные семейства, например FET-логика.
• Когда элемент «источает» ток, он соединяет выход с положительным питанием, выдавая высокий уровень.
• Когда элемент «приёмкает» ток, он соединяет выход с землёй, выдавая низкий уровень.
• Тотем-полюсные выходы и то, и другое; открытый коллектор — только приёмка. Open-collector идеален для управления TTL-входами, так как TTL-входам никогда не нужно источение.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист по TTL логическим элементам
• Рабочий лист по базовым логическим элементам