Триггерный логический элемент И-НЕ
TRIGGER LOGIC ELEMENT AND-NOT

Изобретение относится к цифровой схемотехнике, автоматике и промышленной электронике. Оно, в частности, может быть использовано в блоках вычислительной техники, построенных на логических элементах.
Известен двухвходовой логический элемент И-НЕ [1 Ямпольский B.C. Основы автоматики и вычислительной техники - М.: Просвещение, 1991, стр. 74, рис. 3.5], содержащий четыре транзистора, четыре резистора, один диод и источник питающего постоянного напряжения.
Недостаток его заключается в том, что у него малая нагрузочная способность. Электрический ток только одного из имеющихся транзисторов формирует электрический ток внешней нагрузки. Если бы удалось увеличить число транзисторов, формирующих ток нагрузки, то это привело бы к увеличению максимальной силы электрического тока внешней нагрузки логического элемента и в результате к повышению его нагрузочной способности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа логический элемент ИЛИ/ИЛИ-НЕ [2 Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 342, рис. 14.23], содержащий шесть транзисторов, пять резисторов и два источника постоянного напряжения.
Недостаток его заключается в малой нагрузочной способности. Электрический ток только одного из шести транзисторов формирует ток внешней нагрузки. Если бы удалось увеличить число транзисторов, формирующих электрический ток внешней нагрузки, то это бы привело к увеличению максимальной силы электрического тока нагрузки логического элемента и в результате к повышению нагрузочной способности. Приведенный логический элемент относится к ЭСЛ-элементам (ЭСЛ-эмиттерно-связанная логика).
Задача, на решение которой направленно изобретение, состоит в повышении нагрузочной способности триггерного логического элемента.
Это достигается тем, что в триггерный логический элемент И-НЕ, содержащий источник питающего постоянного напряжения, минусовой вывод которого соединен с общей шиной и заземлен, последовательно между собой соединенные первый резистор, первый n-р-n транзистор и второй резистор, свободный вывод первого резистора подсоединен к выходу (плюсовой вывод) питающего источника, свободный вывод второго резистора заземлен, последовательно включенные третий резистор и второй n-р-n транзистор, свободный вывод третьего резистора подсоединен к общему выводу первого резистора и выхода источника питания, эмиттер второго транзистора подключен к общему выводу эмиттера первого транзистора и второго резистора, источник опорного напряжения (маломощный источник постоянного напряжения повышенной стабильности), минусовой вывод которого заземлен, а плюсовой - соединен с базой второго транзистора, последовательно включенные третий n-р-n транзистор и четвертый резистор, соединенный с эмиттером третьего транзистора, также имеется пятый резистор, введены р-n-р дополнительный транзистор, n-р-n двухэмиттерный дополнительный транзистор и дополнительный резистор, эмиттер р-n-р дополнительного транзистора подсоединен к общему выводу первого резистора и коллектора первого транзистора, база этого дополнительного транзистора подключена к общему выводу второго резистора и коллектора второго транзистора, а также к коллектору третьего транзистора, наконец, коллектор приведенного дополнительного транзистора соединен и с базой третьего транзистора, и с одним из двух выводов пятого резистора, свободный вывод последнего пятого резистора подключен к свободному выводу четвертого резистора и их общий вывод образует относительно «земли» выход логического элемента, коллектор n-р-n двухэмиттерного транзистора подсоединен к базе первого транзистора, выводы эмиттеров двухэмиттерного транзистора образуют относительно «земли» два входа логического элемента, между базой последнего транзистора и общим выводом выхода источника питания, первого и второго резисторов включен дополнительный резистор.
1
2
В триггерном логическом элементе И-НЕ общая шина (минусовой вывод) источника 1 питающего постоянного напряжения заземлена. К выходу (плюсовой вывод) этого источника подсоединен один из выводов резистора 2, другой его вывод подключен к базе двухэмиттерного n-р-n транзистора 3. Два вывода эмиттеров этого транзистора образуют относительно «земли» два входа x и х логического элемента. Последовательно между собой включены резистор 4, n-р-n транзистор 5 и резистор 6. Свободный вывод резистора 4 подсоединен к общему выводу резистора 2 и выхода источника 1. База транзистора 5 подключена к коллектору транзистора 3, а свободный вывод резистора 6 заземлен.
Последовательно включены резистор 7 и n-р-n транзистор 8. Свободный вывод резистора 7 подсоединен к общему выводу резисторов 2, 4 и выхода питающего источника 1. Эмиттер транзистора 8 подключен к общему выводу резистора 6 и эмиттера транзистора 5. С базой транзистора 8 соединен выход (плюсовой вывод) источника 9 опорного напряжения (маломощный источник постоянного напряжения повышенной стабильности), минусовой вывод этого источника заземлен.
Последовательно между собой включены n-р-n транзистор 10 и резистор 11. Коллектор транзистора 10 подсоединен к общему выводу резистора 7 и коллектора транзистора 8. Свободный вывод резистора 11 соединен с выходом  относительно «земли» логического элемента. Последовательно включены р-n-р транзистор 12 и резистор 13. Эмиттер транзистора 12 подсоединен к общему выводу резистора 4 и коллектора транзистора 5. База транзистора 12 подключена к общему выводу резистора 7 и коллекторов транзисторов 8 и 10. Коллектор транзистора 12 соединен и с базой транзистора 10, и с одним из выводов резистора 13. Другой вывод резистора 13 подключен к общему выводу резистора 11 и выхода логического элемента
На фиг. 1 часть схемы на транзисторах 10 и 12 является триггером на транзисторах противоположного типа проводимости, а часть схемы на транзисторах 5, 8 представляет собой переключатель тока. Резисторы 4 и 7 входят и в состав переключателя тока, и в состав триггера на транзисторах противоположного типа проводимости. На фиг. 1 также приведен пунктирными линиями резистора Rн, условно отображающий внешнюю нагрузку логического элемента.
Триггерный логический элемент И-НЕ работает следующим образом. В цифровой электронике используются входные и выходные электрические сигналы низкого и высокого уровней. Низкий уровень - уровень логического нуля соответствует значениям напряжения в районе нуля или в районе ближе к нулю, высокий уровень - уровень логической единицы соответствует значениям напряжения в районе единиц вольт (нередко в районе четырех вольт).
Триггер на транзисторах 10, 12 противоположного типа проводимости имеет два состояния равновесия. В первом (условно) состоянии оба транзистора закрыты и не проводят электрический ток. Тогда в том числе на резисторах 7 и 13 нулевые значения напряжения. Они прикладываются к базам транзисторов 10, 12, меньше пороговых напряжений этих транзисторов по абсолютной величине и в итоге поддерживают эти транзисторы в закрытом состоянии. Во втором (условно) состоянии транзисторы 10 и 12 открыты, их электрические токи создают напряжения в том числе на резисторах 7 и 13 больше по абсолютной величине и по значениям больше пороговых напряжений транзисторов и поддерживают транзисторы 10, 12 открытом состоянии. Триггер на транзисторах противоположного типа проводимости, как и другие распространенные триггеры, переходит из первого состояния во второе и наоборот, когда управляющие входные напряжения по своим значениям превышают значения напряжений соответствующих порогов срабатывания триггера.
1
2
1
2
Работа логического элемента И-НЕ отражается таблицей истинности (фиг. 2), где x и х - условное отображение выходных сигналов,  - условное отображение сигнала на выходе логического элемента и N - номер строки по порядку. В соответствии со строками 1-3 таблицы истинности на один или оба входах x и х логического элемента поступают напряжения уровня логического нуля. Тогда один или оба базо-эмиттерных р-n переходов транзистора 3 открыты и на них весьма малое значение напряжения, как на диодах в проводящем электрический ток состоянии. Базо-коллекторный р-n переход транзистора 3 тоже открыт, в итоге на базе транзистора 5 низкий уровень напряжения. За счет соответствующего значения напряжения источника 9 опорного напряжения обеспечивается требующееся значение силы электрического тока через транзистор 8. Этот ток создает на резисторе 6 напряжение, которое плюсом приложено к эмиттеру транзистора 5. Значением напряжения на резисторе 6 обеспечивается значение разности напряжений между базой и эмиттером транзистора 5 в районе порогового напряжения или близкое к нему значение. Тогда имеется малое значение силы коллекторного тока этого транзистора и малое напряжение на резисторе 4. Это малое напряжение включено между эмиттером и базой р-n-р транзистора 12 минусом к эмиттеру и плюсом через резистор 7 к базе. Значением сопротивления резистора 7 обеспечивается открытое состояние р-n-р транзистора 12 и второе состояние триггера на транзисторах противоположного типа проводимости с учетом напряжения на резисторе 4, которое, как отмечено выше, имеет малое значение. Напряжение на резисторе 7 включено между базой и эмиттером р-n-р транзистора 12 минусом к базе и плюсом через резистор 4 к эмиттеру. Напряжение на резисторах 4 и 7 в базо-эмиттерной цепи транзистора 12 включены встречно и как отмечено ранее, имеют различные значения. Электрические токи транзисторов 10 и 12 триггера на транзисторах противоположного типа проводимости во втором состоянии создают на внешней нагрузке и на выходе  логического элемента напряжение уровня логической единицы.
1
2
В соответствии с четвертой строкой таблицы истинности (фиг. 2) на оба входа x и х логического элемента поступают напряжения уровня логической единицы. Оба базо-эмиттерных перехода транзистора 3 и его базо-коллекторный переход, как и ранее, открыты, тогда на базе транзистора 3 высокий уровень напряжения. Это приводит к повышению силы электрического тока транзистора 5 и повышению напряжения на резисторе 4, которое плюсом приложено через резистор 7 к базе р-n-р транзистора 12 и поддерживает его закрытое состояние. Небольшое и недостаточное препятствие этому оказывает напряжение на резисторе 7, которое минусом приложено к базе транзистора 12. Повышение силы электрического тока транзистора 5 приводит к уменьшению значения напряжения на базо-эмиттерном переходе транзистора 8, уменьшению силы коллекторного тока транзистора 8 и малому значению напряжения на резисторе 7. Это малое напряжение не может открыть р-n-р транзистор 12, и в итоге оно и напряжение на резисторе 4 обеспечивают состояние транзистора 12 в районе его порогового напряжения или закрытое состояние этого транзистора и первое состояние триггера на транзисторах противоположного типа проводимости. Почти нулевые значения силы электрических токов транзисторов 10, 12 триггера на транзисторах противоположного типа проводимости в первом состоянии создают на внешней нагрузке и на выходе  логического элемента напряжение уровня логического нуля (фиг. 2).
Приведенные прототип и триггерный логический элемент И-НЕ относятся к ЭСЛ-элементам (ЭСЛ-эмиттерно-связанная логика). Известно, что ЭСЛ-элементы имеют повышенное быстродействие [например, Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. - М.: Радио и связь, 1981, стр. 57, раздел «Динамические характеристики», абзацы 1, 2, …6].
Таким образом, в триггерном логическом элементе И-НЕ сила электрического тока внешней нагрузки равна сумме силы токов двух транзисторов 10, 12, что повышает нагрузочную способность этого логического элемента. В прототипе электрический ток нагрузки формирует только один из транзисторов.