Транзисторно-транзисторная логика

Простейший базовый элемент ТТЛ изображен на рис. 3.24. Транзистор T1 - многоэмиттерный, каждый эмиттер служит входом схемы; транзистор T2 выполняет роль инвертора – усилителя. Схема реализует логическую функцию И - НЕ входных сигналов .

Формально схема ТТЛ аналогична схеме ДТЛ: эмиттерные переходы многоэмиттерного транзистора T1 играют роль входных диодов, а коллекторный переход T1 исполняет роль диода смещения. Однако взаимодействие между эмиттерными и коллекторным переходами в многоэмиттерном транзисторе, обусловленное диффузией носителей в его базе, приводит к явлениям, не встречающимся в элементах ДТЛ. От обычных биполярных транзисторов многоэмиттерный транзистор отличается тем, что имеет несколько эмиттеров (от 2 до 8), объединенных общей базой. Эмиттеры расположены так, что непосредственное взаимодействие между ними через участок базы отсутствует. Поэтому многоэмиттерный транзистор можно рассматривать как совокупность нескольких независимых транзисторов с объединенными коллекторами и базами. Такой транзистор занимает меньшую площадь на подложке (диоды в схеме ДТЛ - это те же транзисторы в диодном включении, каждый из которых находится в отдельном изолирующем кармане), а следовательно, имеет меньшую паразитную емкость, благодаря чему предельное быстродействие микросхем ТТЛ выше, чем ДТЛ.

В зависимости от сигналов на входах многоэмиттерный транзистор работает либо в прямом (нормальном) включении, либо в инверсном включении. В инверсном включении, когда напряжение на эмиттерах выше напряжения на коллекторе, коэффициент передачи тока базы очень мал ( ). Сделано это для обеспечения малых входных токов эмиттеров при высоком уровне входных сигналов. При низком уровне входных сигналов переходы база – эмиттер транзистора T1 открыты и транзистор T1 находится на границе режима насыщения. Напряжения, действующего на базе многоэмиттерного транзистора, недостаточно для открывания двух последовательно соединенных переходов: коллекторного перехода транзистора T1 и эмиттерного – транзистора T2. Транзистор T2 закрыт. На его коллекторе устанавливается высокий уровень напряжения . Та же ситуация сохраняется, если хотя бы на одном из входов присутствует сигнал . Только при высоких уровнях сигналов на всех входах ЛЭ транзистор T1 переходит в инверсный режим, открываются коллекторный переход T1 и эмиттерный переход T2. Транзистор T2 переходит в режим насыщения, когда напряжение на его коллекторе близко к нулю. ЛЭ таким образом выполняет операцию И–НЕ. Описанный здесь простейший базовый элемент ТТЛ не нашел широкого применения из - за низкой помехоустойчивости, малой нагрузочной способности и низкого быстродействия. Для устранения выше перечисленных недостатков используют базовый ЛЭ ТТЛ со сложным инвертором. На рис. 3.25 приведена принципиальная схема двухвходового базового элемента И–НЕ серии К155.

Схема ЛЭ состоит из двух частей: входной, реализующей функцию И, и состоящей из резистора R1 и многоэмиттерного транзистора T1, и выходной, реализующей функцию НЕ и представляющей собой сложный инвертор. Инвертор состоит из фазорасщепительного каскада (резистор R2, транзистор T2, а также узел T5, R3, R4) и выходного усилителя (резистор R5, транзисторы T3, T4 и диод D). Элементы T3, D, R5 образуют эмиттерный повторитель, обеспечивающий передачу единицы. В зависимости от выходного тока транзистор T3 может работать как в активном режиме, так и в режиме насыщения. Резистор R5 предохраняет транзистор T3 и диод D от перегрузки при случайном замыкании выхода ЛЭ на землю, а также он ограничивает сквозной ток через транзисторы T3 и T4 при переключении ЛЭ. Узел T5, R3, R4 служит для улучшения передаточной характеристики и повышения помехоустойчивости. При первом рассмотрении этот узел может быть представлен как резистор 1 кОм.

Рассмотрим принцип работы ЛЭ с использованием его передаточной характеристики (см. рис. 3.26) .

Если объединить входы ЛЭ и подать на них , близкое к нулю, то переходы база – эмиттер многоэмиттерного транзистора T1 будут открыты и через них будет протекать входной вытекающий ток, равный . В дальнейшем будем считать, что у кремниевых транзисторов, применяемых в микросхемах, напряжение база – эмиттер открытого транзистора , напряжение, при котором начинает открываться транзистор, и напряжение насыщения . Тогда входной ток будет равен . С учетом возможного разброса значений E и R1 в справочниках указывают максимальный ток .

Образующийся при этом на базе T1 потенциал не может открыть три последовательно включенных перехода: коллекторный T1, эмиттерные транзисторов T2 и T4 (см. точку А на рис. 3.27, где цифрой 1 обозначена ВАХ эмиттерного перехода T1, а цифрой 2 ВАХ трех вышеперечисленных переходов). Транзисторы T2 и T4 закрыты. Ток, протекающий через резистор R2, обеспечивает открывание транзистора T3 и диода D.

При отсутствии нагрузки между выходом и общей шиной ток через T3 и диод D мал, а выходное напряжение равно (точка С на передаточной характеристике ЛЭ рис. 3.27). Мощность, потребляемая от источника питания ненагруженным ЛЭ при , равна .

При увеличении входного напряжения до 1,2 В напряжение на базе T1 возрастает до величины, достаточной для открывания переходов база – коллектор T1, база – эмиттер транзисторов T2 и T4 (точка В на передаточной характеристике ЛЭ рис. 3.27). При открывании транзистора T2 напряжение на его коллекторе уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения на выходе ЛЭ. В течение короткого промежутка времени оказываются одновременно открытыми транзисторы T3 и T4, через них протекает сквозной ток от источника питания на землю, что приводит к увеличению мощности, потребляемой от источника. Резистор R5 ограничивает сквозной ток на уровне 25…30 mA. При дальнейшем увеличении входного напряжения транзисторы T2 и T4 переходят в режим насыщения (точка В на передаточной характеристике ЛЭ), напряжение на коллекторе транзистора T2 становится равным , а на коллекторе T4 . Их разности, равной 0,8 В, недостаточно, чтобы поддерживать открытыми переходы база – эмиттер T3 и диода D, и они закрываются. Диод D обеспечивает надежное запирание транзистора T3 при напряжении на выходе .

Когда на всех входах ЛЭ действуют сигналы высокого уровня , транзистор T1 работает в инверсном режиме: эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом. Входные втекающие токи эмиттерных переходов, смещенных в обратном направлении, не превышают . Коллекторный ток транзистора T1 можно определить из выражения , учитывая, что инверсный коэффициент передачи транзистора T1 . Ток коллектора транзистора T2 в режиме насыщения равен . Таким образом, при ЛЭ потребляет от источника питания мощность . Следовательно, средняя мощность, потребляемая ЛЭ от источника питания, равна .

Важными характеристиками базового ЛЭ являются выходные характеристики . Типовая выходная характеристика ЛЭ для выходного напряжения низкого уровня приведена на рис. 3.28.а. При малых токах нагрузки (до 20 мА) эта характеристика – прямая, определяемая выходным сопротивлением насыщенного транзистора T4 (примерно 10 Ом.). На холостом ходу напряжение не превышает 0,2 B. С увеличением выходного втекающего тока напряжение транзистора T4 увеличивается. Если выходной ток возрастает до величины, при которой транзистор выходит из режима насыщения, то выходное напряжение начинает резко увеличиваться. Выходной втекающий ток транзистора T4 определяется входными токами , подключенных к его выходу входов последующих ЛЭ , где n - коэффициент разветвления. Выходной ток в этом случае ограничивается либо допустимым выходным напряжением , либо допустимым током коллектора транзистора T4. Для ЛЭ с нормальной нагрузочной способностью n=10 и . В микросхемах ТТЛ с повышенной нагрузочной способностью может достигать 48 mA.

Выходная характеристика ЛЭ для выходного напряжения высокого уровня приведена на рис. 3.28.б. При увеличении тока нагрузки, вытекающего из транзистора T4, увеличивается падение напряжения на резисторе R5, транзисторе T3 и диоде D и выходное напряжение уменьшается. При малых токах нагрузки (до 2 мА) транзистор T3 работает в активной области в режиме эмиттерного повторителя (падение напряжения на резисторе R5 меньше напряжения на резисторе R2) и его выходное сопротивление , поэтому выходное напряжение меняется сравнительно мало.

При возрастании тока нагрузки падение напряжения на резисторе R5 растет и транзистор T3 может зайти в режим насыщения, в результате выходное сопротивление каскада возрастает до величины и выходная характеристика ЛЭ становится линейной и более крутой. Ток нагрузки при высоком уровне выходного сигнала зависит от числа входов ЛЭ, которые подключены к выходу, и равен . Выходной ток при высоком уровне выходного сигнала ограничивается либо минимально допустимым выходным напряжением , либо допустимым током коллектора транзистора T3.

Быстродействие ТТЛ-схем определяется в основном переходными процессами при переключении транзисторов, а также временем заряда паразитной нагрузочной емкости , которая представляет собой суммарную входную емкость нагрузочных ЛЭ. В схеме (рис. 3.24) заряд емкости происходит с большой постоянной времени через коллекторный резистор , что ухудшает быстродействие ЛЭ. В ТТЛ-схеме со сложным инвертором (рис. 3.25) постоянная времени заряда существенно уменьшается, так как емкость заряжается через малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя на транзисторе T3 ( ).

Повысить быстродействие ТТЛ–схем можно, применив в схеме базового элемента (рис. 3.25.) вместо обычных транзисторов транзисторы Шоттки, работающие в активном режиме. Тем самым сокращается время переключения транзисторов схемы, времена рассасывания носителей заряда в базах транзисторов при их запирании. Логические ИМС, выполненные на базе транзисторов Шоттки, называют микросхемами ТТЛШ. В маломощных микросхемах ТТЛШ сочетаются высокое быстродействие с умеренным потреблением мощности. При одинаковом с универсальным элементом ТТЛ быстродействии мощность, потребляемая элементом ТТЛШ, в раз меньше. ТТЛШ логика по всем параметрам совместима с ТТЛ - логикой и является более перспективной при разработке новых изделий.

Схема базового элемента со сложным инвертором лежит в основе разработок большинства серий ИМС ТТЛ. Для расширения функциональных возможностей элемента промышленностью выпускаются так называемые расширители по ИЛИ (рис.3.29.), которые представляют собой часть структуры ТТЛ и подключаются к точкам А и В базового элемента ТТЛ (рис. 3.25.). Если соединить точки A и A^* и B и B^*, то полученная при этом схема реализует функцию И-ИЛИ–НЕ. На выходе схемы устанавливается логический нуль, если на всех входах T1 или на всех входах T1^* действуют сигналы, соответствующие логической единице. При всех остальных комбинациях сигналов на входах схемы выходное напряжение соответствует единице.

Выходы некоторых микросхем выполнены так, что верхний выходной транзистор и относящиеся к нему элементы отсутствуют. Это так называемые ЛЭ с открытым коллекторным выходом (рис. 3.30.).

Такой логический элемент может быть использован для управления внешними устройствами (реле, элементы индикации и др.). ЛЭ с открытым коллекторным выходом к тому же могут подключаться к другим источникам питания с напряжением для некоторых ЛЭ до 30 В. ЛЭ с открытым коллекторным выходом в отличие от сложных инверторов допускают параллельное подключение нескольких выходов к общей нагрузке R_н (рис. 3.31.). Объединение выходов называют монтажной (проводной) логикой ИЛИ.

Существует категория микросхем, способных принимать и третье состояние, в котором оконечные транзисторы ЛЭ заперты, что равносильно отключению ЛЭ от нагрузки. Перевод в высокоимпедансное состояние осуществляется по специальному входу EZ. При поочередном действии таких ЛЭ, их выходы можно соединять между собой и подключать к общей нагрузке (например, к шине данных). Таким способом удается уплотнить каналы передачи данных, а также создавать магистрали с двунаправленными потоками информации.

На рис. 3.32. показан один из способов обеспечения трех состояний в ЛЭ ТТЛ. Эта схема отличается от базовой схемы наличием дополнительных транзисторов T5 - T8 и диода D2. Когда транзистор T8 заперт, схема действует подобно обычному элементу ТТЛ, поскольку диод D2 смещен в обратном направлении. При открытом транзисторе T8 диод D2 открыт и напряжение в точке А близко к нулю. Транзистор T3 при этом закрыт. Поскольку на эмиттере транзистора T1, связанном с коллектором T8, логический нуль, то транзисторы T2 и T4 - закрыты. Выходной вывод окажется отключенным от входных цепей и от обеих шин питания.