Схема с однотранзисторным инвертором, проиллюстрированная в прошлом разделе, на самом деле слишком груба для использования в качестве вентиля. Реальные схемы инвертора содержат более одного транзистора для максимального увеличения напряжения (чтобы гарантировать, что конечный выходной транзистор находится либо в режиме полной отсечки, либо в режиме полного насыщения), а также другие компоненты, предназначенные для уменьшения вероятности случайных помех.
Практическая принципиальная схема инвертора
Здесь представлена принципиальная схема реальной схемы инвертора со всеми необходимыми компонентами для эффективной и надёжной работы:
Эта схема состоит исключительно из резисторов, диодов и биполярных транзисторов. Имейте в виду, что бывают и другие схемы, что могут выполнять функцию вентиля НЕ, в том числе и такие, где вместо биполярных транзисторов используются полевые (далее в этой главе мы обсудим и их).
Анализ схемы вентиля «НЕ»
«Высокий» вход
Давайте проанализируем эту схему в том состоянии, когда на входе «высокий» уровень (соответствующий двоичной «1»). Мы можем смоделировать это, показав входной терминал, подключённый к VКК через переключатель:
Рис. 2. На схему подаётся «высокий» вход.
В этом случае диод D1 будет иметь обратное смещение и, следовательно, не будет проводить никакого тока. Фактически, единственный смысл присутствия D1 в схеме – предотвратить повреждение транзистора в случае отрицательного напряжения, приложенного к входу (напряжение, которое является отрицательным, а не положительным по отношению к «земле»).
При отсутствии напряжения между базой и эмиттеромтранзистора Q1 мы также не ожидаем прохождения тока через него. Однако, как это ни странно, транзистор Q1 не используется, как обычно используются транзисторы. На самом деле Q1 в этой схеме – не что иное, как пара последовательно соединённых друг с другом диодов. На следующей схеме показано реальное предназначение Q1:
Эти диоды нужны, чтобы, словно руль поворота, «направлять» ток к базе транзистора Q2 или от неё, в зависимости от логического уровня входа. Как именно эти два диода могут выполнять функцию «рулевого управления» для тока, не совсем очевидно на первый взгляд, поэтому для понимания может потребоваться небольшой пример.
Предположим, у нас есть следующая цепь диод/резистор, представляющая переходы база/эмиттертранзисторов Q2 и Q4 в виде одиночных диодов. Уберём все другие части схемы, чтобы мы могли сосредоточиться только на токе, «направляемом» через взаимно обратные стороны диодов:
Рис. 4. Упростим схему, чтобы увидеть, как именно Q3 из предыдущей схемы работает, если считать его парой диодов.
Когда входной переключатель находится в положении «вверху» (т.е. подключен к VКК), должно быть очевидно, что через левый диод управления Q1 ток проходить не будет, потому что нет никакого напряжения в контуре переключатель–диод–R1, что побудило бы поток электронов течь.
Однако ток будет проходить через правый управляющий диод Q1, а также через диодный переход база/эмиттер Q2 и диодный переход база/эмиттер Q4:
Рис. 5. Покажем направление тока в упрощённой схеме.
Это говорит нам о том, что в реальной схеме вентиля транзисторы Q2 и Q4 будут иметь ток базы, который включит их для проведения тока коллектора.
Общее падение напряжения между базой Q1 (узел, соединяющий два встречных управляющих диода) и «землёй» будет около 2,1 В, это сумма падений напряжения на трёх P-N-переходах: во-первых, правого управляющего диода, во-вторых, перехода база/эмиттердиода Q2 и, в-третьих, перехода база/эмиттердиода Q4.
«Низкий» вход
Теперь переместим переключатель входа в положение «внизу» и посмотрим, что произойдет:
Рис. 6. В упрощённой схеме изменим положение переключателя. Показаны направления тока.
Если бы мы измерили ток в этой цепи, то обнаружили, что весь ток проходит через левый управляющий диод Q1, а не через правый диод. Почему так? По-прежнему кажется, что существует полный путь для тока через диод Q4, диод Q2, правый диод пары и R1. Так почему же через этот путь не будет проходить ток?
Как вы помните, диоды с P-N-переходом – очень нелинейные устройства: они даже не начинают проводить ток, пока прямое напряжение, приложенное к ним, не достигнет определённого минимального значения, примерно 0,7 В для кремния и 0,3 В для германия. И затем, когда они начнут проводить ток, напряжение на них не упадёт более чем на 0,7 вольт.
Когда переключатель в этой цепи находится в положении «внизу», левый диод пары рулевых диодов является полностью проводящим, и поэтому здесь падение примерно на 0,7 вольт и не более.
Рис. 7. В упрощённой схеме отметим напряжение для левого диода в паре.
Напомним, что с переключателем в верхнем положении (транзисторы Q2 и Q4 в проводящем состоянии) между теми же двумя точками (базой и заземлённым Q1) было падение примерно 2,1 вольт, что также является минимальным напряжением, необходимым для прямого смещения трёх последовательно соединенных кремниевых P-N-переходов в состояние проводимости.
0,7 В, обеспечиваемое прямым падением напряжения на левом диоде, просто недостаточно, чтобы позволить течь любому электронному потоку через последовательную цепочку «правый диод → диод Q2 → параллельная диодная подсхема R3//Q4», и поэтому нет движения электронов по этому пути. При отсутствии тока через базы транзисторов Q2 или Q4 ни один из них не сможет проводить ток коллектора: транзисторы Q2 и Q4 оба будут в состоянии отсечки.
Значит, эта конфигурация схемы обеспечивает 100-процентное переключение базового тока Q2 (и, следовательно, управление остальной частью вентильной схемы, включая напряжение на выходе) путём отвода тока через левый управляющий диод.
В случае нашей примерной вентильной схемы вход удерживается «высоким» состоянием переключателя (подключённого к VКК), образуя левый диод «рулевого управления» (на нём падает нулевое напряжение). Однако правый диод «рулевого управления» проводит ток через базу Q2 и затем через резистор R1:
Рис. 8. Разобравшись на примере упрощённой схемы, можем в основной схеме показать направления тока (переключатель замкнут в положение «вверху»).
При наличии тока базы транзистор Q2 будет включён. В частности, он будет насыщен благодаря более чем достаточному току, который R1 пропускает через базу. Когда Q2 насыщен, резистор R3 будет понижать напряжение, достаточное для прямого смещения перехода база/эмиттертранзистора Q4, тем самым насыщая его:
Рис. 9. Покажем в схеме падения напряжения для R3 и Q4.
При насыщении Q4 выходная клемма будет почти напрямую замкнута на «землю», оставляя выходной вывод с напряжением (относительно «земли») почти 0 вольт (что соответствует двоичному логическому уровню «0», т.е. «низкому»). Из-за наличия диода D2 между базой Q3 и его эмиттером не будет достаточного напряжения для его включения, поэтому он пребывает в состоянии отсечки.
Анализ «низких» входных и выходных сигналов
Давайте теперь посмотрим, что произойдёт, если мы изменим логический уровень входа на двоичный «0», активировав переключатель входа:
Рис. 10. Вентиль НЕ с «низким» входом – установим переключатель в положение «внизу».
Теперь ток будет проходить через левый диод «рулевого управления» Q1 и не будет тока через правый диод «рулевого управления». Это устраняет ток через базу Q2, тем самым отключая его.
Если отключить Q2, то больше нет пути для базового тока в Q4, так что Q4 переходит в режим отсечки, а также Q3, с другой стороны, теперь имеет достаточное падение напряжения между его базой и «землёй», чтобы смещать в прямом направлении переход база/эмиттер и насыщать его, тем самым повышая выходное напряжение на выводах до «высокого» состояния.
Фактически, выходное напряжение будет где-то около 4 В, в зависимости от степени насыщения и любого тока нагрузки, но всё же достаточно высоким, чтобы считаться «высоким» (эквивалентным бинарному 1) логическим уровнем. На этом наше моделирование схемы инвертора завершено: вход «1» дает выход «0», и наоборот.
И ещё одно наблюдение по поводу этой цепи
Проницательный заметит, что вход этой схемы инвертора перейдёт в «высокое» состояние, если останется плавающим (не подключенным ни к VКК, ни к «земле»). Если ни к чему не подключать входной разъём, то не будет никакого тока через левый «рулевой» диод Q1, в результате чего весь ток из R1 пройдёт через базу Q2, таким образом, насыщающая Q2 и способствуя установлению выхода цепи в «низкое» состояние:
Рис. 11. Если переключатель не замкнут ни в верхнее ни в нижнее положение, то это будет эквивалентно «высокому» входу.
Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
Логично для такой схемы предположить «высокое» состояние входного сигнала, если оставить один общий «плавающий» вход для нескольких вентильных схем. Подобные конструкции известны как транзисторно-транзисторная логика или ТТЛ (по англ. Transistor-to-Тransistor LOGIC или TTL). Эту характеристику можно использовать для упрощения конструкции выхода в схеме вентиля, зная, что выходы одних вентилей обычно управляют входами других.
Если «плавающий» вход вентильной ТТЛ-схемы принимает «высокое» состояние, тогда выход любого вентиля, управляющего входом ТТЛ, должен только обеспечивать путь к «земле» для «низкого» состояния и быть «плавающим» для «высокого» состояния. Для полного понимания этой концепции внесём в схему доработки и рассмотрим здесь их более подробно.
Подача и потребление тока
Подача тока
Схема вентиля, которую мы только что проанализировали, может управлять выходным током в двух направлениях: внутрь и наружу. Технически это называется подачей тока и потреблением тока соответственно. Когда на выходе вентиля «высокий» уровень, имеем непрерывный путь от выхода к VКК через верхний выходной транзистор (Q3), благодаря чему электронный поток течёт от «земли» через нагрузку к выходу вентиля через эмиттер Q3, и, в конечном итоге, до вывода питания VКК (положительная сторона источника питания постоянного тока):
Рис. 12. При «низком» входе происходит подача тока.
Чтобы это было проще понять, можно выход вентильной схемы изобразить как двухпозиционный переключатель, способный подключать выходной вывод либо к VКК, либо к «земле», в зависимости от его состояния. Для вентиля, выдающего «высокий» логический уровень, комбинация насыщения Q3 и отсечки Q4 аналогична двухпозиционному переключателю в положении «VКК», обеспечивая путь для тока через заземлённую нагрузку:
Рис. 13. «Высокий» выход рассмотренного вентиля эквивалентен двухпозиционному переключателю в состоянии «вверху» для нагрузки, находящейся после.
Обратите внимание, что этот двухпозиционный переключатель, показанный внутри треугольного обозначения вентиля, представляет транзисторы Q3 и Q4, попеременно подключающие выход то к VКК, то к «земле», а не ранее показанный переключатель, отправляющий входной сигнал на вентиль!
Потребление тока
И наоборот, когда схема вентиля выдаёт «низкий» логический уровень на нагрузку, это аналогично тому, что двухпозиционный переключатель устанавливается в положение «земля». Тогда ток будет идти в обратном направлении, если сопротивление нагрузки подключается к VКК: от «земли», через эмиттер Q4, через вывод выхода, через сопротивление нагрузки и обратно к VКК. В этом состоянии, вентиль, как говорят, потребляет ток:
Рис. 14. При «высоком» входе происходит потребление тока.Рис. 15. «Низкий» выход рассмотренного вентиля эквивалентен двухпозиционному переключателю в состоянии «внизу» для нагрузки, находящейся после.
Необходимые условия для ТТЛ
Комбинация Q3 и Q4, работающих как «двухтактная» транзисторная пара (в англоязычной технической литературе это называется выход «тотемный столб», англ. totem pole output), может либо истощать ток (потреблять ток, пока не установится VКК), либо перенаправлять ток (выходной ток от «земли») к нагрузке. Однако стандартный вход ТТЛ-вентиля никогда не требует подачи тока, а только потребления. То есть, поскольку вход вентильной ТТЛ, естественно, принимает «высокое» состояние, если он оставлен «плавающим», любому выходу вентиля, управляющему входом ТТЛ, нужен только ток потребления, чтобы обеспечить вход «0» («низкий» логический уровень), и не требуется подача тока, чтобы обеспечить «1» («высокий» логический уровень) на входе приёмного вентиля:
Рис. 16. «Высокий» выход левого вентиля – «высокий» вход правого.Рис. 17. «Плавающий» выход левого вентиля – «высокий» вход правого.Рис. 18. «Низкий» выход левого вентиля – «низкий» вход правого.
Выход с открытым коллектором
Это означает, что мы можем упростить выходной каскад схемы вентиля, полностью исключая Q3. В результате получим так называемый выход типа «открытый коллектор»:
Стандартно на схемах выход «открытый коллектор» обозначается с помощью специального маркера. Здесь изображён вентильный инвертор с выходом «открытый коллектор»:
Рис. 20. Схемное обозначение выхода с открытым коллектором.
Имейте в виду, что «высокого» состояние по умолчанию для «плавающего» входа вентилей верно только для ТТЛ-схем и не обязательно для других типов цепей, особенно для логических вентилей, построенных из полевых транзисторов.
Итог
Инвертор, или вентиль НЕ – это вентиль, выходное состояние которого противоположно входному. То есть «низкий» вход (0) дает «высокий» выход (1), и наоборот.
Считается, что вентиль подаёт ток, если обеспечивает путь для тока между выводом выхода и положительной стороной источника питания постоянного тока (VКК). Другими словами, это подключение выхода к источнику питания (+V).
Считается, что вентиль потребляет ток, если обеспечивает путь для тока между выводом выхода и «землёй». Другими словами, это заземление (потребление) вывода выхода.
Вентильные схемы с выходными каскадами типа «тотемный столб» способны как подавать, так и потреблять ток. Вентильные схемы с выходными каскадами типа «открытый коллектор» только потребляют ток, но не подают. Вентили с выходом с открытым коллектором практичны, когда используются для управления входами ТТЛ-вентилей, потому что входы ТТЛ не требуют источника тока.
