Транзисторно-транзисторні логічні елементи

2.2.1. Загальна характеристика транзисторно-транзисторних логічних елементів

Елементи ТТЛ з’явилися в результаті розвитку схем ДТЛ у напрямку ско­рочення числа компонентів, зменшення ємності переходів і врахування спе­цифіки інтегральної технології. На початку важливою особливістю елементів ТТЛ було використання на вході багатоемітерного транзистора (БЕТ) для реа­лізації операції І. Кожен емітер БЕТ використовується як логічний вхід. Число емітерів визначає коефіцієнт об’єднання за входом N_І=1…8 і більше.

Промисловість випускає такі серії ТТЛ і ТТЛШ:

стандартної середньої швидкодії (ТТЛ) – К133, К155, швидкодіючі – К130, К131, К599 і малопотужні – К134, К158 (1963 р.);

стандартні швидкодіючі (ТТЛ) –К530,К531 і малопотужні – К533, К555 (1970 р.);

над швидкодіючі (ТТЛ) –КР1530 (тип АS), високої швидкодії – КР1531 (тип FAST) і малопотужні – КР1533 (тип ALS) (1980 р.). У цих серіях застосована ізопланарна технологія на основі іонної імплантації, прецизійної фотолітографії, яка забезпечує малі площі і ємності переходів.

2.2.2. Транзисторно-транзисторний логічний елемент з простим інвертором

Схема найпростішого ТТЛ містить БЕТ, колектор якого підключено до бази інвертую чого транзистора VT2 рис. 2.11, а).

Багатоемітерний транзистор виконує операцію І, транзистор VT2 – опе­ра­цію НЕ. Тому елемент в цілому реалізує функцію . У першому на­ближенні БЕТ з топологією, показано на рис. 2.11, б, розглядаються як сукуп­ність із n (за кількістю емітерів) окремих транзисторів із спільними базою і ко­лектором. Для виключення взаємного впливу емітерні переходи розташовую­ться один від одного на відстані 10…15 мкм, що перевищує дифузійну довжину пробігу носіїв у базовому прошарку.

У схемі ТТЛ елемента БЕТ працює в двох основних режимах – інверс­ному і насичення. Процеси, що відбуваються в інверсному режимі, відобража­ють еквівалентною схемою (рис. 2. 12. а).

Інверсний режим виникає після подачі на входи високих рівнів напруги U_ІН. В результаті емітери Е1 і Е2 закриваються, колекторний перехід знаходи­ться під прямою напругою U^*=0,8 В і він інжектує електрони в спільну базу.

З метою зменшення зворотних струмів І_ІН, які входять в емітер, техно­логічними методами спеціально зменшують значення інверсного коефіцієнта передачі струму b_І від бази до емітера до 0,01-0,02. У цьому випадку значення струму І_ІН знаходиться з співвідношення

де - струм бази БЕТ.

На основі схеми рис 2.12., а для струму , що виходить з колектора БЕТ, справедливий вираз

.

Струм знаходиться з рівності

,

де 2U^*=1,6 В – сумарне падіння напруги на двох послідовно ввімкнених кремні­євих переходах – колектора БЕТ і бази VT2. Для типових значень U_СС=5 В, R=3 кОм, отримаємо:

=(5-1,6)/3*103=1,12 мА;

І_ІН=0,02*1,12*10-3=25 мкА;

.

Таким чином, значення колекторного струму достатнє для надій­но­го насичення транзистора VT2, при цьому на виході встановлюється низький рівень напруги U_OL≤0,1 В.

Режим насичення виникає при подачі на один з входів (або на обидва), наприклад Х₁, низького рівня напруги U_ІL (рис. 2. 12, б). При цьому емітер Е1 відкривається, оскільки на ньому падіння напруги U^*=0,8 В, й інжектує елект­ро­ни в базу БЕТ.

Колекторний перехід БЕТ також знаходиться під прямим зміщенням. Проте він не може приймати електрони, це рівнозначно появі струму, який вхо­дить в колектор, чого не дозволяє база транзистора VT2. Вважають, що у колі колектора БЕТ ввімкнено нескінченно великий опір навантаження, тому в обла­сті колектора БЕТ накопичується об’ємний заряд електронів, що характерно для режиму насичення. Транзистор VT2 – закритий і на його колекторі встанов­лю­ється високий рівень напруги U_OН» U_СС.

Значення витікаючого (від’ємного) з відкритого емітера Е1 струму І_ІL зна­ходиться з рівності

I_IL=[U_CC-(U_IL+U*)]/R.

Прийнявши, що U_IL=0,4 В, отримаємо І_ІL=1,23 мА.

Таким чином, у розглянутій схемі елемента ТТЛ практично постійний струм бази комутується або в базу транзистора VT2 (інверсний режим), або у відкритий емітер БЕТ (режим насичення).