Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)

Наиболее простая реализация логического элемента "И" получается при помощи диодов. Схема такого элемента приведена на рис. 3.1.

Рис.3.1. Принципиальная схема логического элемента "2И", выполненного на диодах

В этой схеме, при подаче нулевого потенциала на любой из входов (или на оба сразу) через резистор будет протекать ток и на его сопротивлении возникнет падение напряжения. Напряжение на выходе схемы в этой ситуации будет близко к потенциалу общего провода. В результате единичный потенциал на выходе схемы появится, только если подать единичный потенциал сразу на оба входа логического элемента. То есть анализируемая схема реализует логическую функцию "2И".

Количество входов логического элемента "И" в данной схеме зависит от количества диодов. Если использовать два диода, то получится элемент "2И", если три диода — то "3И", если четыре диода, то "4И", и так далее.

Приведенная схема обладает таким недостатком, как смещение логических уровней на выходе микросхемы. Напряжение нуля и напряжение единицы на выходе схемы выше входных уровней на 0,7 В. Это вызвано падением напряжения на диодах. Скомпенсировать это смещение уровней можно диодом, включенным на выходе схемы, как это показано на рис. 3.2.

Рис.3.2. Принципиальная схема усовершенствованного логического элемента "2И", выполненного на диодах

В этой схеме логические уровни на входе и выходе схемы одинаковы. Более того, схема, приведенная на рис. 3.2, будет нечувствительна не только к входным напряжениям, превышающим напряжение питания, но и к отрицательным входным напряжениям. Диоды обычно выдерживают напряжение до сотен вольт. Поэтому такая схема дополнительно используется для защиты цифровых устройств от перегрузок по напряжению, возникающих, например, в цепях, выходящих за пределы цифрового устройства. Если не требуется реализация логической функции, а необходимо просто защитить вход микросхемы от перегрузки по напряжению, то используется схема подключения диодов, приведенная на рис. 3.3.

Рис.3.3. Принципиальная схема диодной защиты входов цифрового устройства

Подобные схемы применяются на входах цифровых блоков, которые подключены к внешним разъемам этих блоков. Так как к этим разъемам есть доступ, то к ним может прикоснуться человек, а на нем при передвижении (например, по линолеуму) могут наводиться статические потенциалы до нескольких тысяч вольт. Ни одна микросхема не способна выдержать воздействие такого потенциала. Защита на дискретных диодах выдержит.

Еще один источник опасности заключается в том, что к разъемам обычно подключаются длинные линии, поэтому на них может наводиться высокое напряжение от сетевой проводки, или даже возможно прямое падение проводов с напряжением 220 или 380 В. Если диоды выдерживают такое напряжение, то и в этом случае схема, приведенная на рис. 3.3, предотвратит выход цифрового блока из строя.

Приведенная на рис. 3.2 схема логического элемента "И", к сожалению, не может соединяться последовательно, так как вырабатывает только вытекающий ток, а для следующего каскада требуется втекающий выходной ток схемы. Кроме того, эта схема не обладает усилением. В результате логические сигналы при распространении в таких схемах будут затухать.

Для того чтобы избежать описанной ситуации к схеме диодного логического элемента "И" обычно подключается двухтактный усилитель, выполненный на биполярных транзисторах. Схема полученного диодно-транзисторного логического (ДТЛ) элемента приведена на рис. 3.4.

Рис.3.4. Принципиальная схема базового элемента ДТЛ микросхемы

Логический элемент "2И" в приведенной на рис. 3.4 схеме образуется элементами D1, D2 и R1. Использование двухтактного усилителя позволяет получать от схемы как втекающий, так и вытекающий ток, однако следует помнить, что подобный усилитель является источником напряжения, и если не ограничить выходной ток микросхемы во внешних цепях, то можно вывести ее из строя.

Обратите внимание, что транзистор VT1 инвертирует сигнал на выходе элемента "И". То есть вместо логической единицы на выходе этой схемы присутствует логический ноль. И, наоборот, вместо логического нуля на выходе схемы присутствует логическая единица. В результате базовый ДТЛ элемент реализует не просто функцию "2И", а более сложную логическую функцию "2И-НЕ":

Диоды VD2 и VD4 на входе схемы служат для защиты от отрицательного напряжения, которое может поступать на ее вход. Условно-графическое изображение такого логического элемента показано на рис. 3.5, а его таблица истинности приведена в табл. 3.1.

Рис.3.5. Условно-графическое изображение элемента "2И-НЕ"

Таблица 3.1. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2И НЕ"

x1	x2	F

Приведенная на рис. 3.4 схема логического элемента используется в таких современных сериях микросхем как 555, 533, 1531, 1533. В этих сериях микросхем для повышения быстродействия применяются транзисторы и диоды Шоттки.

На основе базового элемента, приведенного на рис. 3.4, строится и ДТЛ инвертор. В этом случае на входе схемы используется только один диод. Схема ДТЛ инвертора приведена на рис. 3.6.

Рис.3.6. Принципиальная схема инвертора ДТЛ микросхемы

В состав современных серий цифровых микросхем кроме логических элементов "И" входят логические элементы "ИЛИ". Для реализации логического элемента "ИЛИ", точно также как и в эквивалентной схеме, в схеме, приведенной на рис. 3.4, в точках "а" и "б" параллельно соединяются транзисторы VT1. Выходной каскад при этом используется один. В качестве примера на рис. 3.7 приведена схема логического элемента "2ИЛИ‑НЕ".

Рис.3.7. Принципиальная схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ" ДТЛ микросхемы

Логические элементы "ИЛИ-НЕ" в отечественных сериях микросхем имеют обозначение ЛЕ. Например, схема К555ЛЕ1 содержит в одном корпусе четыре элемента "2ИЛИ-НЕ". Таблица истинности, реализуемая этой схемой, приведена в табл. 3.2, а условно-графическое изображение такого элемента показано на рис. 3.8.

Рис.3.8. Условно-графическое изображение элемента "2ИЛИ-НЕ"

Таблица 3.2. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ-НЕ"