Тристабильные элементы

В логических вентилях, о которых шла речь до сих пор, выходы двух вентилей не соединяются между собой. С логической точки зрения, такое соединение не имеет смысла, поскольку в том случае, если один вентиль генерирует на выходе значение 1, а другой — значение 0, непонятно, что должен означать объединенный сигнал. Но что еще более важно, в микросхемах КМОП значение 1 на выходе вентиля соответствует созданию прямого соединения между выходом вентиля и точкой V_supply, тогда как выходное значение 0 соответствует соединение с землей. Поэтому, если соединить выходы двух вентилей в тот момент, когда на них будут противоположные значения, источник питания соединится с землей и произойдет короткое замыкание, которое может повредить вентили.

Конечно, при проектировании компьютерных систем нередко встречаются ситуации, когда входной сигнал схемы может исходить от одного из множества разных источников. В таких случаях используются мультиплексорные логические схемы. В качестве альтернативы можно использовать специальные вентили, называемые буферами с тремя состояниями. У такого вентиля возможны не два, а три состояния. Он может генерировать обычные сигналы, то есть 0 и 1, а его третье состояние определяется состоянием выходного контакта, в котором он электрически отсоединен от входа того вентиля, которым должен управлять.

Принципиальная схема буфера с тремя состояниями показана на рис. 3.44, а. У него два входа и один выход. Работой буфера управляет разрешающий вход, обозначенный на схеме как е. Когда е = 1, на выходе вентиля f то же логическое значение, что и на входе х. Когда е = 0, выход находится в высокоимпедансном сопротивлении Z. Эквивалентная логическая схема показана на рис. 3.44, б. Треугольник на этом рисунке представляет неинвертирующий повторитель. Это схема, не выполняющая никакой логической операции, — на ее выходе просто повторяется выходной сигнал. Если объединить ее с ключом, как на рис. 3.44, б, новая схема будет работать в соответствии с таблицей истинности, приведенной на рис. 3.44, в. Эта таблица определяет функцию с тремя состояниями. Как она реализуется, показано на рис. 3.44, г. Два параллельно соединенных транзистора, n-МОП и р-П, образуют ключ, соединенный с выходом повторителя. Поскольку входные сигналы транзисторов этих двух типов противоположны, необходим инвертор. Когда е = 0, оба транзистора открываются, размыкая ключ. Когда е = 1, оба транзистора закрываются, замыкая ключ.

Схема повторителя может управлять множеством входов других вентилей, общее количество которых превышает возможности обычной логической схемы. Для этого в схеме повторителя нужны транзисторы большего размера. Потому-то в нее и включена цепь из двух вентилей НЕ, реализованных на основе более крупных транзисторов, чем те, которые обычно используются в логических вентилях.

Читатель, возможно, заинтересуется, для чего в выходном ключе понадобился транзистор р-МОП, если, с логической точки зрения, достаточно одного транзистора n-МОП. Дело в том, что эти транзисторы должны «передавать» логическое значение, генерируемое драйверной схемой, на выход f. Особенность описанных транзисторов заключается в том, что транзистор n-МОП хорошо передает логическое значение 0, но плохо передает значение 1, а транзистор р-МОП, напротив, хорошо передает логическое значение 1, но плохо передает значение 0. Если параллельно соединить эти два транзистора, оба значения будут передаваться одинаково хорошо.

Рис. 3.44. Буферы с тремя состояниями: символическое представление (а); эквивалентная схема (б); таблица истинности (в); реализация (г)

Интегральные элементы семейства ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики) используются очень широко. Выход обычного устройства ТТЛ может быть либо логической 1 либо 0. Поэтому невозможно подсоединять выходы стандартных элементов ТТЛ на общую шину микро-ЭВМ (шину данных, например). Были введены специальные элементы ТТЛ, выходы которых могут быть объединены на обшей шине. Эти элементы называются тристабильными (имеющими три состояния). Им присущи состояние на выходе логического 0, логической 1 и особое состояние высокого сопротивления Z. Когда тристабильный элемент находится в состоянии высокого сопротивления Z, его выход отсоединяется от шины.

Логическая схема элемента шинного буфера представлена на рис. 3.45. Этот буфер обладает тристабильными выходами, и его действие описывается таблицей истинности (табл. 3.11). У шинного буфера имеется один L-активный вход активизации, а проходящие через элемент данные не инвертируются. Когда элемент шинного буфера сброшен, его выход находится в состоянии высокого сопротивления (плавает) и не оказывает на шины никакого влияния. В этом состоянии выход элемента отсоединяется от шины, т. е. не выдает на шину и не принимает от нее никакой информации.

Рис.3.45. Шинный тристабильный буфер.

Таблица 3.11. Таблица истинности тристабильного шинного буфера

Функциональное состояние	Входы	Выход
А	Y
Активизирован	0 0 0 1
Сброшен	1 0 1 1	Высокое сопротивление

Упражнения

3.41. Выход элемента ТТЛ может быть либо в состоянии логической 1, либо в состоянии логического 0, либо в состоянии (высокого, низкого) сопротивления.

3.41. Элемент шинного буфера на рис. 3.46 имеет один вход активизации, активизируемый _____ (Н-, L-сигналом).

3.43. См. рис. 3.46. Перечислите выходы элементов шинного буфера, соответствующие каждой из семи групп импульсов на входе

Рис. 3.46. К упражнениям 3.42—3.43

Лекция 18