Логические элементы с открытым коллектором и их применение


Выходы с открытым коллектором могут иметь не только сложные цифровые микросхемы, предназначенные для подключения к многоразрядной шине. Все ТТЛ и ТТЛШ серии микросхем имеют в своем составе и простейшие логические элементы (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ) с открытым коллектором. Здесь имеются многочисленные варианты исполнения этих элементов по допустимому току и напряжению выходной цепи.

Такие элементы обычно используют для подключения к логическим схемам разного рода нестандартных нагрузок. Приведем примеры такого подключения.

Пример 1. Нагрузка — светодиод или сегмент светодиодного индикатора.

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Светодиод светится, если  Логические элементы с открытым коллектором и их применение Резистор R — ограничивает ток через светодиод и выходной транзистор элемента на допустимом уровне.

Пример 2. Нагрузка — индикаторная лампа накаливания с номинальным напряжением 12В.

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Лампа светится, если  Логические элементы с открытым коллектором и их применение Элемент с открытым коллектором должен выдерживать по выходной цепи напряжение 12В и пусковой ток холодной лампы.

Пример 3. Нагрузка — катушка электромагнитного реле с номинальным напряжением 12В.

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Реле втянуто, если  Логические элементы с открытым коллектором и их применение. Элемент с открытым коллектором должен выдерживать по выходной цепи напряжение 12В и ток, проходящий через холодную обмотку реле. Диод VD защищает логический элемент от пробоя выходного транзистора импульсом ЭДС самоиндукции, возникающим в обмотке реле при прерывании тока в этой обмотке.

Пример 4. Нагрузка — выходы КМОП логики с напряжением питания +15В.

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

В этой схеме  Логические элементы с открытым коллектором и их применение причем логические уровни переменной x соответствуют стандарту КМОП логики.

Пример 5. Управление мощным n-p-n транзистором.

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Стандартные элементы ТТЛ и ТТЛШ использовать нельзя, так как они имеют очень малую нагрузочную способность при выходном сигнале “1”. Транзистор VT открыт, если  Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Пример 6. Управление мощным выходным p-n-p транзистором.

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Стандартные элементы ТТЛ и ТТЛШ нельзя использовать в этой схеме при напряжении питания больше чем 5В.

Транзистор VT открыт, если  Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Пример 7. Значительная емкостная нагрузка.

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Элементы ТТЛ и ТТЛШ имеют ограничения по емкостной нагрузке. Элементы с открытым коллектором таких ограничений не имеют.

Пример 8. Нагрузка — длинная линия в виде витой пары или коаксиального кабеля с волновым сопротивлением Zc.

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Элементы с открытым коллектором иногда используют и при реализации требуемых логических функций. В этих случаях они включаются по так называемой схеме “монтажное И”. Для этой схемы характерно соединение выходных контактов двух или нескольких элементов с открытым коллектором с одним общим резистором нагрузки.

Приведем примеры такой схемы с двумя повторителями логического сигнала:

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Составим для этой схемы таблицу истинности, учитывая, что H-уровень на выходе возможен лишь в том случае, если закрыты выходные транзисторы в обоих элементах.

a b x  
0 0 0 открыты оба выходных транзистора
0 1 0 открыт выходной транзистор в DD1
1 0 0 открыт выходной транзистор в DD2
1 1 1 закрыты оба выходных транзистора

Полученная таблица показывает, что рассматриваемая схема выполняет функцию элемента И для входных сигналов a и b.

Монтажное И можно использовать не только для двух, но и для множества соединяемых друг с другом элементов. Для выделения переменных, участвующих в операции монтажное И в случае объединения \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ не повторителей, следует при анализе условно выделить из состава этих элементов выходной повторитель. Например:

 Логические элементы с открытым коллектором и их применение

Следует помнить, что в исходной схеме отсутствуют доступные разработчику точки, в которых имеют место сигналы  Логические элементы с открытым коллектором и их применение.

Если же такие сигналы нужны, их придется формировать особо, с помощью логических элементов.