Элементы транзисторно-транзисторной логики

Базовый элемент ТТЛ (рис. 1.4) содержит многоэмиттерный транзистор Т1, который совместно с резистором R1 выполняет операцию И, и сложный инвертор, представляющий собой после­довательно включенные ключ с общим эмиттером (простой ин­вертор) на Т2 и R2 и эмиттерный повторитель на Т4 с динами­ческой нагрузкой Ди ТЗ. Резистор R3 обеспечивает цепь тока рас­сасывания избыточного заряда из базы ТЗ при его запирании. Ре­зистор R4 ограничивает ток транзистора Т4 при перегрузке и при выключении логического элемента, когда Т4 уже открылся, а ТЗ еще не закрыт. Диод Д, как будет показано ниже, обеспечивает закрытое состояние транзистора Т4 при открытом ТЗ.

Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) отличается от обычньгх биполярных транзисторов наличием нескольких (обычно четырех) эмиттеров (рис. 1.5), объединенных общей базой. Эмиттеры рас­положены так, что непосредственное взаимодействие между ними через область базы практически отсутствует. Поэтому многоэмит­терный транзистор можно рассматривать как совокупность не­скольких независимых транзисторов с объединенными коллекто­рами и базами. Но в отличие от такой сборки он занимает мень­шую площадь на кристалле и имеет малые паразитные емкости. Кроме того, в инверсном режиме коэффициент передачи тока В, очень мал (0,05...0,005).

Рассмотрим работу логического элемента при управлении вход­ными сигналами с выходов аналогичных ЛЭ. Для упрощения ана­лиза и иллюстрирующих оценок основных параметров примем аппроксимацию входных характеристик транзисторов, показанную на рис. 10.4(а) и будем полагать падения напряжения на насыщен­ном транзисторе ( ) и его переходах ( , ) независи­мыми от протекающих токов и равными соответственно 0,1В и 0,7В.

Если на все входы ЛЭ подано напряжение логического нуля (транзисторы Т3 задающих ЛЭ насыщены), то ток ба­зы транзистора Т1протекает через открытые эмиттерные пе­реходы. При этом на его базе . Этого напряжения недостаточно для отпирания двух последовательно соединенных переходов: коллекторного Т1 и эмиттерного Т2. Поэтому транзи­сторы Т2 и Т3 заперты. Напряжение на коллекторе

Транзистор Т4 и диод Д открыты. На выходе элемента

(1.4)

Заметим, что транзистор Т4 работает в активном режиме как эмиттерный повторитель. Активный режим обеспечивается тем, что в штатных установившихся условиях напряжение на коллекторном переходе в виду малости тока и сопротивления R4 близко к нулю, переход закрыт.

Транзистор Т1 насыщен, так как

(1.5)

Выключенное состояние логического элемента сохраняется, ес­ли хотя бы на одном входе действует сигнал U°. При этом ток базы лишь перераспределяется по входным цепям. При пода­че уровня U° только на один вход в его цепи течет максимальный ток получивший название входного тока логического ну­ля.

Если на все входы подано высокое напряжение (U¹), эмиттер-ные переходы Т\ закрыты и ток базы Р_Б1 течет через коллектор­ный переход в базу транзистора Т2. Многоэмиттерный транзистор находится в активном инверсном режиме. В эмиттерных цепях протекают входные токи логической единицы кото­рые, суммируясь с током , образуют включающий ток базы транзистора Т2:

где m - число задействованных входов ЛЭ. Малое значение ин­версного коэффициента передачи тока B_t позволяет исключить влияние числа входов ЛЭ на ток /_Б2, следовательно, и а степень насыщения Т2, а также обеспечивает развязку между источниками входных сигналов. Эмиттерный ток транзистора Т2 течет в основ­ном через базу транзистора ТЗ и насыщает его. Напряжение на его коллекторе

(0,1 В).

При этом транзистор T4 закрыт, так как разности

недостаточно для отпирания двух последовательно соединенных переходов: эмиттерного T4 и диода Д. Следовательно, назначение диода - обеспечить закрытое состояние T4 при открытом ТЗ.

Таким образом, при позитивном кодировании ЛЭ выполняет опе­рацию И-НЕ (включается только при подаче на все входы высо­кого уровня напряжения). Он имеет небольшое выходное сопро­тивление как в выключенном, так и во включенном состояниях, определяемое соответственно выходным сопротивлением эмиттерного повторителя (T4) и сопротивлением насыщенного транзисто­ра ТЗ. Это способствует уменьшению времени перезаряда емкости нагрузки. Повышению быстродействия способствуют также благо­приятные условия работы транзисторов. Так, при переключении транзистора П его базовый ток и заряд в базе практически не ме­няются, что исключает инерционные процессы накопления и расса­сывания избыточного заряда. Транзисторы же Т2 и ТЗ отпирают­ся и насыщаются большими включающими токами ( ). а на стадии запирания для выключающих токов создаются достаточно низкоомные базовые цепи: для Т2 -насыщенный транзистор Т1, для Т3-резистор R3.

Более детальную информацию, необходимую для проектирова­ния различных устройств, дают статические характеристики ЛЭ. Наибольшее распространение получили передаточная и входная характеристики. Для рассматриваемого ЛЭ аппроксимированные передаточная и входная характеристики базового ТТЛ элемента имеют вид, пока­занный на рис. 1.6.

На характеристиках можно выделить три участка. На участке АВ элемент выключен, BD работает в усилительном режиме и DF – включен. На участке АВ напряжение на базе транзистора Т2 меньше отпирающего. Поэтому он закрыт, и напряжение . Входной ток с ростом уменьшается:

На участке ВС транзистор Т2 работает в ак­тивном режиме с коэффициентом передачи напряжения (транзистор Т3 закрыт). С ростом напряжение , следовательно, и уменьшаются. Часть тока базы Т1 ответвля­ется в базу Т2, поэтому спад круче. На участке CD транзистор ТЗ открыт и работает в активном режиме. Крутизна характеристи­ки значительно больше, а сам участок CD узкий (не более 0,1В), так как коэффициент передачи К₂ большой. Последнее объясня­ется тем, что в цепи эмиттера Т2 сопротивление R3 шунтируется небольшим входным сопротивлением открытого транзистора Т3. В точке D транзисторы Т2 и Т3 насыщены, и дальнейшее повыше­ние приводит лишь к полному переключению тока базы Т1 в цепь базы Т2 (участок DE), увеличивая степень насыщения послед­него.

При изменении напряжения источника питания и темпера­туры окружающей среды характеристики дрейфуют, образуя об­ласть неопределенности. В этой связи необходимо отметить, что приводимые в справочной литературе электрические параметры ЛЭ соответствуют границам этой области, т. е. худшим условиям применения. На практике, если условия применения заданы, целе­сообразно оценивать и использовать реальные значения парамет­ров. Например, уровень U¹ считается как , а порого­вый - как . Причем, если при комнатной температуре 0,8В, то при Т= 100°С за счет температурного дрейфа = 0,55...0,6В.

В настоящее время на основе ТТЛ элементов выпускается большое число серий ИС. Широкое распространение получили: стандартные серии 133, 155 со средним быстродействием ( = 10...20 нс, = 10...15мВт); маломощные - 134, 136( -единицы мВт, 30...40 не); мощные - 130, 131 ( >20 мВт, =6...8 не); серии ТТЛШ 531, 555, а также перспективные серии ТТЛШ 1531, 1533, обеспечивающие <5нс при 4 мВт.

Принципиальные схемы базовых ЛЭ у них практически одина­ковы. Отличаются от приведенной на рис. 1.4 главным образом номиналами сопротивлений резисторов и некоторыми схемными особенностями, которые иллюстрируются рис. 1.7 и 1.8. Так, па­раллельно входам подключены диоды Д1, Д2, получившие название антизвонных. Они ограничивают помеховые выбросы отрица­тельной полярности, образующиеся при отражении сигнала от входа вследствие несогласованности волнового сопротивления длинной сигнальной линии и входного сопротивления ЛЭ, а также в ре­зультате взаимных наводок в сигнальных цепях.

Ограничение необходимо для защиты от пробоя эмиттерных переходов Т1, а так­же для повышения помехоустойчивости цифровых устройств путем «гашения» колебательных процессов в электрически .связанных сигнальных цепях.

Для ЛЭ средней и повышенной потребляемой мощности, а так­же элементов ТТЛШ типичным отличительным схемотехническим решением является подключение в цепь эмиттера Т2 динамиче­ской нагрузки, состоящей из R3, R5 и Т5. Она позволяет получить форму передаточной характеристики ЛЭ, близкую к прямоуголь­ной (рис. 1.6, пунктирная линия) за счет сужения области уси­лительного режима (В'С), так как транзистор Т2 может откры­ваться лишь при . Тем самым повышается помехо­устойчивость к включающей помехе.

Динамическая нагрузка приводит к ухудшению условий рас­сасывания избыточных зарядов в базе ТЗ при выключении. Поэто­му параллельно эмиттерному переходу Т2 подключают диод ДЗ (рис. 1.7), который обеспечивает низкоомную цепь для выключа­ющего базового тока транзистора ТЗ: база ТЗ-диод ДЗ-насы­щенный транзистор Т1-источник сигнала.

И, наконец, с целью повышения нагрузочной способности ЛЭ .вместо диода смещения Д4 применяют транзистор Т6 (рис. 1.8), который совместно с Т4 образует составной транзистор.

Реализация цифровых ИС и устройств только на основе базо­вых ЛЭ обычно не является самой рациональной - не обеспечи­вает простоту и наилучшие электрические параметры. Более при­емлемые результаты получаются при использовании наряду с ба­зовыми ЛЭ вспомогательных элементов, выполняющих функции И-ИЛИ-НЕ, И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ, с открытым кол­лекторным выходом, с тремя статическими состояниями и др. Та­кие элементы создаются чаще всего путем изменения топологии соединений на кристалле базового ЛЭ.

Рассмотрим примеры вспомогательных ЛЭ, обычно имеющих­ся в составе серий цифровых ИС.

На рис. 1.9 приведена схема ЛЭ И-НЕ с открытым коллекто­ром. Для нормальной работы выходного транзистора Т3 его кол­лектор подключают к источнику питания через внешнюю нагрузку: резистор, элемент индикации, реле, ЛЭ и т. п. Напряжение источ­ника может отличаться от штатного. Таким образом, элементы с открытым коллектором обеспечивают работу с нетиповой нагруз­кой.

С другой стороны, элементы с открытым коллектором допус­кают параллельное подключение нескольких выходов к общей нагрузке (рис. 1.10). Объединение выходов называют монтажной логикой. При таком соединении, если на выходе одного из не­скольких элементов будет низкое напряжение (транзистор ТЗ на­сыщен), то оно же окажется на общем выходе. Чтобы обеспе­чить логическую единицу на общем выходе, необходимо иметь ло­гические единицы на всех выходах (запертое состояние транзисторов Т3 всех элементов), это эквивалентно операции И над выходными сигналами. В данном примере монтажное И:

При создании монтажной логики следует учитывать, что каждая переменная у утрачивает самостоятельность и использоваться от­дельно уже не может.

Если параллельно транзистору Т2 в базовом ЛЭ подключить еще транзистор Т2, управляемый отдельным многоэмиттерным транзистором Т1 (рис. 1.11), то получится элемент И-ИЛИ-НЕ, реализующий функцию . Действительно, чтобы на вы­ходе был логический нуль, необходимо открыть Т2 или Т2, для чего нужно подать логические единицы на все эмиттеры хотя бы одного из транзисторов Т1 или Т1.

Заметим, что если транзисторы Т1 и Т1 имеют по одному эмит­теру, элемент реализует операцию ИЛИ-НЕ.

Отдельно выпускаемые в составе серии элементы, содержащие мно гоэмиттерный транзистор и транзистор инвертора (рис. 1.12), получили название расширителей по ИЛИ. Они своими выводами К и Е подключаются к одноименным выводам (если такие предусмотрены) логических элементов И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ (напри­мер, см. рис.1.11) и тем самым расширяют функциональные воз­можности последних по ИЛИ.

Рис.1.13 иллюстрирует пример схемы элемента, выполня­ющего операцию И. В схемотехническом плане он представляет собой конъюнктор на МЭТ и два последовательно соединенных инвертора. На рис. 1.14 приведена схема элемента, способного принимать три статических состояния. Два из них - обычные

(включен, выключен), а третье высокоимпедансное, при котором выходные транзисторы ТЗ и Т4 заперты, что равносильно отключению выхода от нагрузки. Перевод в высокоимпедансное состояние осуществляет дополнительный транзистор Т5 при подаче науправляющий вход напряжения логической единицы независимо отзначения входного информационного сигнала. Применение трехстабильных элементов позволяет поочередно подключать источники сигналов к общей нагрузке или информационной шине и таким образом уплотнять каналы передачи данных, а также создавать магистрали с двунаправленным потоком информации (рис. 1.15,-б).

Заметим, что высокоимпедансное состояние само по себе не является логическим, но управляющий сигнал, создающий его, можетопределять логический уровень навыходе устройства (ИС), в состав которого входит данный элемент. Например, схема, изображенная на рис. 1.15,а, реализует функцию .