Реализация TTL NAND и AND элементов на транзисторах с открытым коллектором

Добавив второй вход к стандартному open-collector TTL-инвертору, получаем схему, естественно реализующую функцию NAND. В статье разбираем анализ, объясняем транзисторное поведение и показываем, как простой инвертор превращается в AND добавлением ещё одной инверторной стадии.

От инвертора к двухвходовому устройству

Старт — обычный open-collector TTL-инвертор. Схема расширяется вторым входным выводом, подключённым к базе второго транзистора Q2, точно так же как первый вход. Результирующая схема:

Хотя схема проста, устройство не работает как «двухвходовый инвертор». Логическим анализом определим таблицу истинности и дадим правильное название.

Транзисторная структура

Кластер «управляющих» диодов, отмеченный Q1, — это транзистор, не используемый для усиления. Обычный NPN не даёт три p-n перехода, нужные в этой сети, поэтому применяют транзистор с одним коллектором, одной базой и двумя эмиттерами. На схеме изображен так:

Входные состояния и выходное поведение

С одним входом: заземление входа → высокий выход (висячий), висячий вход или Vcc → низкий выход. С двумя входами каждый ведёт себя так же. Если любой вход заземлён, Q2 отсекается, Q3 остаётся выключенным, выход висит высоко. Только когда оба входа высоки, Q2 насыщается, Q3 открывается, выход притягивается к нулю.

Иллюстрации трёх ключевых состояний:

В каждом случае заземлённый вход гарантирует высокий выход. Единственный сценарий низкого выхода — оба входа высоки, насищая Q2 и открывая Q3.

Элемент NAND

Табулирование даёт стандартную таблицу истинности NAND:

Таким образом, TTL NAND — самая простая, естественная функция этого open-collector дизайна. Раньше мы описывали NAND как AND с инвертором. Здесь видно: та же схема уже воплощает NAND без лишней сложности.

Создание элемента AND

Для AND просто добавляем инверторную стадию на выход NAND, как добавляли транзисторную стадию к TTL-инвертору для буфера:

Результирующая таблица истинности и схема:

И NAND, и AND могут быть реализованы с тотем-полюсными выходами вместо open-collector. Для простоты здесь приведены open-collector версии.

Ключевые выводы

• Добавление второго входа к TTL-инвертору даёт NAND-элемент.
• AND-элемент получается вставкой инвертора после выхода NAND.

Связанные ресурсы

• Рабочий лист по TTL логическим элементам