Рис. 2.1. Микросхема 74LS00 (K555ЛA3)
Выходы логических элементов микросхемы 74LS00 построены по двухтактной схеме. При такой структуре выходного каскада каждый из уровней формируется путем подключения выхода через низкоомный ключ к линии Vcc или GND соответственно. На Рис. 2.2, а эти ключи изображены в виде обычных переключателей, хотя на самом деле они, разумеется, выполнены на транзисторах.
Рис. 2.2. Типы выходных каскадов
В логических микросхемах (например, таких как 74LS00) изменение состояния выхода происходит за время около 10 нс[27]. Чтобы получить такие значения, емкости всех соединительных проводников и входов других микросхем должны быстро разряжаться. Главным образом именно по этой причине в большинстве цифровых микросхем используется двухтактный выход (называемый также выходом с активной подтяжкой — active pull-up). Однако в некоторых ситуациях преимущество имеют выходные каскады других типов. Конфигурация открытый коллектор (или открытый сток), показанная на Рис. 2.2, б, обеспечивает «жесткий» НИЗКИЙ уровень, при этом состояние ВЫСОКОГО уровня соответствует разомкнутой цепи. Напряжение ВЫСОКОГО уровня может формироваться подключением внешнего резистора либо к линии Vcc, либо к отдельной шине питания. Роль подобного резистора могут выполнять некоторые устройства, такие как реле, лампы накаливания или светодиоды. Выходной транзистор таких каскадов часто имеет большую, чем обычно, нагрузочную способность по напряжению и/или току.
Один из наиболее интересных для нас вариантов применения выхода с открытым коллектором показан на Рис. 2.3. В этой схеме четыре элемента с выходом типа «открытый коллектор» подключены к одному и тому же подтягивающему резистору. Обратите внимание на символ 
, используемый для обозначения выхода с открытым коллектором. Предположим, что на рисунке изображены четыре периферийных устройства, любое из которых может обращаться к процессору (компьютеру или микроконтроллеру). Если этот процессор имеет только один вход для внешнего сигнала прерывания, то четыре сигнальные линии от устройств должны быть объединены вместе по схеме монтажное ИЛИ, как показано на рисунке. Когда все сигнальные линии находятся в неактивном состоянии (лог. 0), выходы всех буферных элементов НЕ выключены (ВЫСОКИЙ уровень) и общая линия подтянута к Vcc резистором RL. Если какая-либо из сигнальных линий становится активной (лог. 1), скажем, линия Sig_1, то на выходе соответствующего буфера появляется НИЗКИЙ уровень. В результате, независимо от состояния остальных сигнальных линий, общая линия переключается в состояние НИЗКОГО уровня, прерывая таким образом работу процессора.
Рис. 2.3. Буферы с открытым коллектором управляют общей линией
Выходной каскад третьего типа (с тремя состояниями), приведенный на Рис. 2.2, в, обладает свойствами выходов обоих рассмотренных типов. При разрешенном выходе логические состояния формируются обычным образом, т. е. выдачей ВЫСОКОГО и НИЗКОГО напряжения. При запрещении выхода он становится разомкнутой цепью, независимо от функционирования внутренней логической схемы и любых изменений на ее входах. Выход с тремя состояниями обозначается символом 
.
В качестве примера использования выхода указанного типа рассмотрим ситуацию, показанную на Рис. 2.4. В данном случае основному контроллеру требуется прочитать данные с одного из нескольких устройств, подключенных к нему группой общих линий. Поскольку эта магистраль, или, иначе, шина данных, является общим ресурсом, в любой момент времени доступ к шине предоставляется только выбранному устройству. Доступ должен быть закрыт сразу же после считывания данных, с тем чтобы шиной могло воспользоваться другое устройство. Как показано на рисунке, все выходы, подключаемые к шине, обозначаются символом . После выбора устройства управление линиями шины будет осуществляться только активными логическими уровнями. Микросхема сдвоенного 4-битного буфера с тремя состояниями 74LS2441[28] имеет выходы с повышенной нагрузочной способностью (обозначаемые символом [>), специально предназначенные для работы на длинных линиях, имеющих большую емкость.
27
Одна наносекунда равна 10-9 с, так что за одну секунду может произойти 100 000 000 переключений.