Предельные значения и параметры схем

Предельными называются величины, которые ни в коем случае не должны быть превышены. Если это произойдет, то элемент будет выведен из строя. Для стандартных TTJI-схем действуют следующие общие предельные зна­чения:

К основным параметрам относятся статические характеристики, быст­родействие и логические данные. Одним из главных параметров является напряжение питания. Оно может варьироваться между 4,75 В и 5,25 В. Ти­пичным значением является 5 В.

Цоколевка, вид сверху

Для всех элементов указывается нижняя граница входного напряжения высокого-уровня. Она составляет обычно 2 В. При самом малом напряжении уров­ня равном 2 В, выходное на­пряжение UQL не может превышать 0,4 В, даже когда выходной ток дости­гает максимального значения 16 мА.

Стандартные интегральные TTJI-микросхемы отличаются сравнительно высоким энергопотреблением. Средняя микросхема потребляет при напряжении питания 5,25 В ток порядка 8 мА, что соответствует по­требляемой мощности 42 мВт. Схема содержит четыре элемента И-НЕ. Значит, каждый вентиль И-НЕ потребляет примерно 10 мВт. В общем, это не очень большая величина. Однако микросхема с 10000 логическими эле­ментами будет потреблять уже 100 Вт. Для питания такой микросхемы уже не получится использовать батарейки. Поэтому стандартные интегральные TTJI-микросхемы работают преиму­щественно от стационарных стабилизированных источников питания.

ТТЛ с пониженным энергопотреблением (Low- Power-TTL, LTTL)

Low Power с английского переводится как пониженное энергопотребление. ТТЛ-элементы с пониженным энергопотреблением потребляют 1/10 мощ­ности, потребляемой стандартными TTJI-элементами. Уменьшения энерго­потребления можно добиться, увеличивая сопротивления внутри микро­схемы. Типичный элемент ТТЛ с пониженным энергопотреблением изо­бражен на рис. 6.71. Видно, что структуры стандартной ТТЛ-схемы и ТТЛ с пониженным энергопотреблением практически идентичны. Однако разли­чие становится ясным при внимательном рассмотрении сопротивлений. Номиналы сопротивлений стандартных ТТЛ указаны серым шрифтом в скоб­ках. Номиналы сопротивлений ТТЛ с пониженным энергопотреблением в десять-двенадцать раз больше

Один логический элемент И-НЕ схемы ТТЛ с пониженным энергопо­треблением потребляет мощность порядка 1 мВт. Быстродействие элемен­тов в основном определяется временами заряда-разряда емкостей транзис­торов. При увеличении сопротивлений время заряда-разряда возрастает и, следовательно, быстродействие ТТЛ с пониженным энергопотреблением ниже, чем у стандартных ТТЛ.

ТТЛ с пониженным энергопотреблением потребляют 1/10 мощности, по­требляемой стандартными ТТЛ. Зато быстродействие ТТЛ с пониженным энер­гопотреблением примерно в три раза ниже, чем у стандартных ТТЛ.

Среднее время задержки tp,, определяющее время выполнения одной логической операции, составляет для ТТЛ с пониженным энергопотребле­нием примерно 33 не.

Высокоскоростные ТТЛ (High-Speed-TTL, HTTL). Высокоскоростные ТТЛ характеризуются прежде всего высоким быстродей­ствием. Внутренняя структура этого подсемейства логических элементов, как и в случае ТТЛ с пониженным энергопотреблением, не отличается от стан­дартных ТТЛ. Сопротивления этого подсемейства уменьшены. Благодаря этому процессы заряда-разряда емкостей транзисторов протекают быстрее, и быстродействие существенно возрастает. Среднее время за­держки tp составляет примерно 5 нс. За быстродействие приходится платить повышенным энергопотребле­нием. Оно более чем в два раза выше, чем для стандартных ТТЛ. Один вентиль И-НЕ, изображенный на рис. потребляет примерно 23 мВт. Быстродействие высокоскоростных ТТЛ-элементов в два раза выше, чем у стандартных ТТЛ. Однако они потребляют энергии более чем в два раза больше.

Компьютер, построенный на высокоскоростных ТТЛ, работает в два раза быстрее, чем компьютер на стандартных ТТЛ. Он выполнит за то же время двойную работу, но потребляют больше энергии.

При создании одновременно быстрых и экономичных микросхем исполь­зуется свойство транзисторов быстро переключаться в ненасыщенном со­стоянии. При подключении диода по рис. предотвращается насыщение транзистора. Диод должен иметь высокое быстродействие. Поэтому применяют диоды Шотки Диоды Шотки отличаются высоким быстродействием и пороговым напряжением 0,35 В.

Транзистор на рисможет проводить только до тех пор, пока UCE не упадет до 0,4 В. Затем диод Шотки предотвращает дальнейшее нахождение транзистора в открытом состоянии. Он сам проводит в прямом направлении. От базы ток течет через диод и переход коллектор-эмиттер к земле. Этот ток уже не течет через базу транзистора и не служит для его управления. Начало насыщения транзистора начинается тогда, когда UCE падает до значения UBE> т. е. при UCE = 0,4 В транзистор уже находится в насыщении, ко не в глубоком. Диод Шотки на рис. 6.73 называется «антинасыщающий диод». Транзи­стор с диодом Шотки называется транзистором Шотки. Его условное обо­значение показано на рис.. Диод при этом подразумевается по умолча­нию, и его можно не обозначать на схеме.

Принципиальная схема типичного элемента ТТЛШ изображена на рис.. Это элемент И-НЕ в положительной логике. Среднее время задержки tp составляет от 2,5 до 3 нс, или примерно вдвое меньше, чем для элементов подсемейства высокоскоростных ТТЛ.

Так как транзисторы Шотки проводят слабо, выходной уровень L у них выше, чем у стандартных ТТЛ-элементов. Вследствие этого разрыв между уровнями L и Н меньше, что означает ухудшение статической помехо­устойчивости.

Сравнительная оценка логических элементов

Идеальный логический элемент должен обладать очень высоким быстро­действием среднее время задержки должно стремиться к нулю. Также он должен потреблять мало энергии и обладать высокой поме­хоустойчивостью. Эти три свойства являются взаимоисключающими. Если стремиться к высокому быстродействию, то проигрываешь в энергопотреб­лении и помехоустойчивости. Если стремиться к малому энергопотребле­нию, то проигрываешь в быстродействии.

При выборе между быстродействием, энергопотреблением и помехо­устойчивостью приходится искать компромисс. Свой компромисс для каж­дого конкретного случая.

Для каждого подсемейства ТТЛ был найден компромисс между быстро­действием, энергопотреблением и помехоустойчивостью.

Схемотехника ТТЛ постоянно совершенствуется. Появляются новые улучшенные схемы, в которых удается еще немного уменьшить энергопо­требление и увеличить быстродействие при сохранении высокой помехо- устойчивости. Это становится возможным благодаря прогрессу в производ­стве интегральных микросхем. В последнее время появились новые подсе­мейства ТТЛ: улучшенные ТТЛШ (Adwanced-Schottky-TTL) и улучшенные ТТЛШ с пониженным энергопотреблением (Adwanced-Low-Power-Schottky- TTL). Наиболее важные параметры подсемейств интегральных микросхем приведены в следующей таблице.

Ранее наиболее распространенным способом реализации логических вентилей была транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ). Ее функции основываются на применении многоэмиттерного тран­зистора Т на входе. Если на всех входах напряжения близки к на­пряжению питания (Н), то коллектор входного транзистора рабо­тает как эмиттер, и транзистор работает в инверсном активном ре­жиме. Включается следующий транзистор Т2 (рис.), вследствие чего коллектор на выходе соответствует уровню L. Для того, что­бы входной ток был малым, коэффициент усиления инверсионно­го тока транзистора Т1 должен быть близким к 1. Поэтому кон­центрация легирующей примеси в коллекторе должна быть близка к концентрации примеси в базе. Если на одном из входов напря­жение соответствует уровню L, то входной транзистор Т1 рабо­тает в активном нормальном режиме (пропускает ток). Напряже­ние коллектор-эмиттер опускается до минимального остаточного напряжения, а следующий транзистор Т2 запирается. Выходное на­пряжение соответствует уровню Н. Скорость переключения может быть еще улучшена, если между базой и коллектором включить ди­од Шотки таким образом, чтобы ограничить протекание тока в диоде база-коллектор транзитора. При этом заряд в базе остается малым и длительной перезарядки при переходе от прямого режи­ма к инверсному режиму можно избежать. В типовое обозначение ТТЛ-вентиля с диодом Шотки вводится буква S. Транзисторы на логической схеме обозначаются s-образным значком

Если на входе Еп имеет место низкое напряжение L, то верхний выходной транзистор Тз заперт. Поскольку разрешающий вход Еп подключен к эмиттеру транзистора Т\, то этот транзистор откры­вается. Вследствие этогоТ2 запирается, и на эмиттером резисторе Т2 нет падения напряжения, поэтому Т4 тоже заперт. Так как оба выходных транзистора Тз и Т4 заперты, выход вентиля находится в высокоомном состоянии.

Если на входе напряжение соответствует низкому уровню, то соот­ветствующий эмиттер и диод ток не пропускают. Схема работает как нормальный вентиль НЕ-И. К выходу ТТЛ вентиля может быть подключено только ограничен­ное количество входов следующих вентилей. У ТТЛ нагрузочный ток выходного каскада ограничен. Стандартные ТТЛ-элементы име­ют жестко ограниченные максимальные нагрузочные токи, указан­ные в специальных таблицах.

Коэффициент разветвления стандартной TTJI-серии равен 10, но при этом существует и другой коэффициент разветвления, который имеет место при смешанном использовании различных серий.

Таблица 2. Максимальные выходные и минимальные входные токи стан­дартных ТТЛ-элементов.

	М аксимал ьный нагрузочный ток	Минимальный входной ток
Низкий уровень	16 мА	1, 6 мА
Высокий уровень	0,4 мА	0, 04 мА

Отсюда следует, что к одному стандартному ТТЛ-вентилю мо­жет быть подключено до 10 стандартных ТТЛ вентилей.

Дата добавления: 2014-12-10