Транзистор-транзисторная логика (ТТЛ). Так как эмиттерный ток транзистора VT2 практически равняется нулю, будет запертый и транзистор VT5

Типы логики

Так как эмиттерный ток транзистора VT 2 практически равняется нулю, будет запертый и транзистор VT 5. Ток, протекающий через резистор R 2, втекает в базу транзистора VT 4, насыщает его. Поэтому напряжение присутствующая на выходе Y, ЛЭ близкое к напряжению питания и определяется выражением

.

Таким образом, при наличии на каждом из входов схемы напряжения низкого уровня, напряжение на его выходе будет иметь высокий уровень. Предположим теперь, что на все входы ЛЭ подан высокий уровень напряжения. В этом случае все эмиттерные переходы многоэмиттерного транзистора VT 1 оказываются запертыми. При этом его коллекторный переход смещается в прямом направлении и по цепи резистор R 1, коллекторный переход транзистора VT 1 и последовательно соединенные эмиттерным переходом транзисторы VT 2 и VT 5 будет протекать ток. Этот ток насытит транзисторы VT 2 и VT 5, и на выходе в ЛЭ установится низкое напряжение, численно равное напряжению насыщения транзистора VT 5:

Так как транзистор VT 2 насыщен, то присутствующее на его коллекторе напряжение оказывается недостаточным для прямого смещения двух последовательно включенных р-n -переходов (эмиттерный переход VT 4 и диод VD_n). Транзистор VT 4 будет заперт.

Таким образом, если на всех входах схемы присутствует высокое напряжение, на выходе ЛЭ будем иметь напряжение низкого уровня.

Параллельное соединение нескольких выходов таких элементов недопустимо, так как формирование на них сигналов разных уровней приведет к выходу из строя транзисторов выходного усилителя мощности. Для положительной логики описанный алгоритм работы соответствует определению операции И–НЕ.

Выполнение выходного каскада элемента по двухтактной схеме позволяет одновременно решить две задачи:

1. Повысить быстродействие элемента. Нагрузка ЛЭ, как правило, носит емкостный характер, и применение двухтактного выходного каскада позволяет увеличить ток перезаряда емкости нагрузки.

2. Снизить потребление. В установившемся режиме лог. «0» через выходной каскад протекает только ток нагрузки.

Во входной цепи многоэмиттерного транзистора VТ 1 включены дополнительные диоды VD_o–VD_{n– 1}, защищающие элемент от появления на его входе недопустимых напряжений обратной полярности.

Нелинейная цепь коррекции R 3, R 4 и VT 3 позволяет увеличить быстродействие элемента и приблизить его АПХ к прямоугольной. Последнее улучшает свойства элемента. Принцип действия данной цепи основан на зависимости его сопротивления от состояния транзистора VT 5. Если этот транзистор заперт, то транзистор нелинейной цепи коррекции VT 3 также заперт. Суммарное сопротивление цепи, шунтирующее эмиттерный переход транзистора VT 5, в основном определяется сопротивлением резистора R 3, являющегося достаточно большим. Поэтому на начальном этапе формирования на выходе элемента напряжения лог. «0» весь эмиттерный ток транзистора VT 2 втекает в базу транзистора VT 5, форсирующего его включение. После включения VT 5 насыщается и VT 3, шунтируя эмиттерный переход транзистора VT 5 низкоомным сопротивлением резистора R 4. Это, во-первых, уменьшает степень насыщения транзистора VT 5 и, во-вторых, при последующем выключении увеличивает ток, удаляющий из базовой области этого транзистора избыточный заряд неосновных носителей. Оба этих фактора способствуют снижению времени рассасывания транзистора VT 5, что повышает быстродействие элемента.

Следует отметить, что в момент переключения ЛЭ в его выходной цепи протекает так называемый «сквозной ток», обусловленный тем, что на протяжении интервала рассасывания замыкаемого транзистора оба транзистора выходного двухтактного усилителя оказываются насыщенными. Это приводит к тому, что ток потребления элемента имеет явно выраженный импульсный характер. Поэтому с увеличением частоты переключения среднее значение тока, потребляемого элементом, растет. Возрастает и его суммарная потребляемая мощность. Кроме этого, протекание импульсов тока за счет действия индуктивности соединительных проводов L_np (рис. 2.6) может привести к появлению ошибочных срабатываний соседних элементов (внутренние помехи).

Рисунок 2.6 – Шунтирование шины питания ЛЭ ТТЛ
дополнительными конденсаторами

Для ограничения величины «сквозного тока» в коллекторную цепь VT 4 включен резистор R 5. Однако чрезмерное увеличение сопротивления этого резистора, во-первых, увеличивает мощность, рассеиваемую в элементе, и, во-вторых, уменьшает его нагрузочную способность. Поэтому, для исключения действия помех, шины питания должны выполняться с малой собственной индуктивностью и по всей длине шунтироваться дополнительными конденсаторами С_доп с малой паразитной индуктивностью (как правило, керамическими). Использование такого технического решения позволяет свести к минимуму действие внутренних помех.

Следует отметить еще одну особенность применения ЛЭ ТТЛ. Соответственно приведенному алгоритму работы, если вход элемента остается неподключенным к источнику сигнала, можно считать, что на него подан сигнал лог. «1».

Однако на практике неиспользованные входы элементов ТТЛ рекомендуется не оставлять свободными, а через дополнительный резистор R_доп подключать к выводу +U_П. В противном случае, так как в состоянии лог. «1» по входу элемент обладает большим входным сопротивлением, резко увеличивается вероятность влияния на него помех, что снижает надежность работы логического устройства. Обычно один резистор используется для подключения нескольких входов ЛЭ. В этом случае его сопротивление может быть найдено из условия:

,

где п – число входов ЛЭ, которые подключаются к резистору.

Кроме рассмотренных, универсальные серии ИС ТТЛ включают в свой состав некоторые специализированные элементы. Они предназначены для расширения функциональных возможностей этих серий.

Элемент И–НЕ с открытым коллектором предназначен для согласования логических схем с внешними исполнительными и индикаторными устройствами, например, светодиодными индикаторами, лампочками накаливания, обмотками реле и т.д. Его отличие от ранее рассмотренного состоит в выполнении выходного усилителя мощности по однотактной схеме без собственного нагрузочного резистора. Принципиальная электрическая схема такого элемента приведена на рис. 2.7.

В данном элементе так же отсутствует цепь нелинейной коррекции. Это связано с тем, что элемент ставится на выходе логического устройства, и к нему в меньшей степени выдвигают требование квантования сигнала. Обычно выходной транзистор VT 3 схемы выполняется с большими допустимыми значениями коллекторного тока и напряжения, чем обычный элемент.

В отличие от стандартных, элементы ТТЛ с открытым коллектором допускают параллельное включение выходных выводов. При этом относительно выходных сигналов каждого элемента реализуется логическая операция И.

Это позволяет решить две задачи:

– упростить схему проектируемого устройства за счет исключения дополнительных элементов, реализующих операцию И;

– обеспечить работу нескольких выходов на общую шину, то есть реализовать режим работы с разделением информации по времени.

Рисунок 2.7 – Принципиальная электрическая схема ЛЭ И–НЕ ТТЛ
с открытым коллектором

Элемент И–НЕ с повышенной нагрузочной способностью предназначен для использования в случаях, когда коэффициента разветвления стандартного элемента ТТЛ недостаточно для передачи выходного сигнала всем потребителям. Схемотехнически данный элемент отличается от стандартного выполнением выходного каскада (рис. 2.8).

Рисунок 2.8 – Принципиальная электрическая схема ЛЭ И–НЕ ТТЛ
с повышенной нагрузочной способностью

Для увеличения мощности сигнала лог. «1» в выходном каскаде использована схема составного транзистора VT 4. Коэффициент разветвления по выходу для таких элементов в три раза превышает значения для стандартного ЛЭ.

Быстродействие ЛЭ серий ИС ТТЛ в основном определяется инерционными свойствами применяемых биполярных транзисторов и нагрузки. Инерционность, обусловленная параметрами нагрузки, зависит от конкретной схемы и конструктивного выполнения логического устройства. Инерционность, связана с собственно частотными свойствами элементов ЛЭ и может быть уменьшена изменением схемотехники и режимов работы самого элемента. Основными причинами инерционности транзисторных ключей на биполярных транзисторах являются перезаряд его коллекторной емкости и время рассасывания. Эти параметры определяются как технологией изготовления транзисторов, так и режимами их работы в ключевой схеме.

В частности, уменьшения длительности переключения, обусловленного перезарядом коллекторной емкости при ее неизменном значении, можно добиться уменьшением сопротивления коллекторной нагрузки. Действительно, суммарная постоянная времени, обуславливающая скорость изменения коллекторного напряжения, .

Уменьшение R_k уменьшает t_пер, а, следовательно, и время изменения коллекторных тока и напряжения транзистора.

Данное техническое решение, повышая быстродействие ключа, ведет к увеличению тока коллектора, протекающего через насыщенный транзистор и, следовательно, к увеличению мощности, которое рассеивается в ЛЭ.

Таким образом, повышение быстродействия ЛЭ ТТЛ за счет уменьшения длительности перезаряда емкости С_КБ связано с увеличением мощности, рассеиваемой в элементе.

Желание уменьшить время рассасывания, которое при пассивном выключении составляет значительную часть времени выключения биполярного транзистора, приводит к применению в ЛЭ диодов и транзисторов Шоттки. Наиболее радикальным методом уменьшения инерционности ключа на биполярном транзисторе, обусловленной рассасыванием неосновных носителей из базовой области, является использование ненасыщенного режима его работы. Последнее наиболее просто достигается шунтированием коллекторного перехода диодом Шоттки.

Диод Шоттки имеет существенно меньшее предельное напряжение открывания, чем р-n -переход транзистора. Поэтому, во время действия входного импульса, диод Шоттки открывается раньше, чем коллекторный переход транзистора, предотвращая накопление избыточного заряда в его базовой области. Накопление заряда в самом диоде Шоттки не происходит, так как ток этого диода обусловлен переносом основных носителей заряда. Таким образом, включение параллельно коллекторному переходу транзистора диода Шоттки при подаче входного напряжения, автоматически фиксирует напряжение коллектор – база на уровне, близком к нулевому. Транзистор при этом работает вблизи границы режима насыщения.

Работа транзистора с диодом Шоттки в активном режиме приводит к увеличению напряжения на его переходах, что немного снижает потребляемую элементом мощность и изменяет асимптотические уровни лог. «0» и лог. «1».

Данное схемотехническое решение реализовано в разновидности ЛЭ ТТЛ, именуемой ТТЛШ.

На рис. 2.9 приведена принципиальная электрическая схема ЛЭ ТТЛШ серии 555. От схемы стандартного ЛЭ она отличается применением в выходном двухтактном усилителе мощности составного транзистора, что способствует повышению быстродействия, и исполнением входного каскада, реализующего логическую операцию И. Операция И в данном элементе выполняется с использованием диодных ключей на элементах VD 1, VD 2,..., VD _{2 n– 1}, VD _{2 n} . При подаче на все входные выводы элемента напряжения высокого уровня, парные диоды VD 2 ,...,VD _{2 n} входных диодных ключей смещаются в обратном направлении. Поэтому ток резистора R 1 насыщает транзисторы VT 1 и VT 5, формируя на выходе элемента сигнал низкого уровня.

Если хотя бы на один вход схемы подано низкое напряжение, соответствующий диод смещается в прямом направлении. Ток резистора R 1 замыкается на общую шину, минуя эмиттерные переходы транзисторов VT 1 и VT 5. Последние замыкаются. При этом ток резистора R 2 насыщает составной транзистор VT 4 ’, VT 4, формируя на выходе напряжение высокого уровня.

Благодаря такому построению, входные выводы элемента могут непосредственно подключаться к шине источника питания, что не рекомендуется делать для стандартных элементов ТТЛ.

Следует отметить, что повышение быстродействия, достигнутое применением в схеме ЛЭ диодов и транзисторов Шоттки, позволило разработать серию ИС ТТЛ с уменьшенным потреблением при быстродействии, сравнимом со стандартными элементами. Последнее важно с точки зрения повышения функциональных возможностей ИС.

Рисунок 2.9 – Принципиальная электрическая схема ЛЭ ТТЛШ серии 555

Мощность, необходимая для работы схем ТТЛШ с уменьшенным потреблением, приблизительно в 5 раз меньше, чем у стандартной схемы ТТЛ. Поэтому, если позволяет технология, в том же корпусе можно разместить в 5 раз больше полупроводниковых элементов и значительно повысить сложность разработанной ИС и круг решаемых с ее помощью задач.

По этой причине при создании БИС и СБИС находит практическое применение только данный тип базовых схем.

Все ИС ТТЛ, которые выпускает отечественная промышленность в данный момент, можно разделить на следующие группы:

– стандартные – серия 155;

– быстродействующие с диодами Шоттки – серии 530, 531, 1531;

– маломощные с диодами Шоттки – серии 533, 555, 1533.

Элементы всех этих серий практически выполнены по одной схеме. Основное расхождение данных серий состоит в их быстродействии и потребляемой мощности. Типичные параметры ЛЭ разных серий ТТЛ приведены в табл. 4.4.

Напряжение всех ЛЭ ТТЛ равняется +5В±5% или +5В±10% в зависимости от типа исполнения.

Таблица 2.3 – Параметры ЛЭ серий ТТЛ

Серия ИС	Tзад сравн	Pпотр , мВт	U ^1 вых, В	U ^0 вых, В	I ^1 bых, мА	I ^0 вых, мА
К155			2,4	0,4	–0,4
К531			2,7	0,5	–1,0
К555		2,0	2,7	0,5	–0,4	8,1

Дата добавления: 2014-01-11