Название: Вычислительная техника (Захаров Н. Г.)

Жанр: Энергетический

Просмотров: 1545


2.13. транзисторно-транзисторные логические элементы

 

Схема ТТЛ ЛЭ, выполняющего логическую функцию И-НЕ, серии 155 пред- ставлена на рис. 2.16. Схема содержит входной каскад, реализующий функцию И, фа- зоинверсный каскад с источником тока и выходной каскад с активной нагрузкой.

+          п    о

 

R1        R3        R5

 

VT1

 

X

1

 

VT2

 

 

VT4

 

VD4

Uвх  X 2

X

 

 

R2        R4

 

о  Y

 

VT5     Х         &

 

 

VD1 – VD3

 

VT3

Uвых   1

Х

2

о          Х

3

Y = X  X  X

о

 

 

а          б

 

Рис. 2.16. Принципиальная схема (а)  ТТЛ-элемента серии 155

 

и его функциональное обозначение (б)

 

Эмиттеры транзистора VT1 служат входами логического элемента и соединены с   шиной   нулевого   потенциала   через   обратно-смещенные   антизвонные   диоды VD1 - VD3. Эти диоды служат своего рода демпфером, защищая от отрицательного входного напряжения транзистор VT1. При поступлении хотя бы на один эмиттер по- тенциала, близкого к нулю, через эмиттер начинает вытекать базовый ток транзистора VT1, создавая на входе ток логического нуля, ограничивающийся сопротивлением ре- зистора R1. В таком режиме потенциал коллектора VT1 низок и транзисторы VT2 и VT5 закрыты. Транзистор VT4 открыт, обеспечивая на выходе уровень напряжения

логической единицы:

 

U

 
1

вых

 

 Е п   I бVT4 R3  U VD4 .

 

вх

 
Если на все эмиттеры транзистора VT1 подать напряжение U1

 

, равное при-

 

мерно напряжению питания Еп, то эмиттерные токи VT1 резко уменьшатся (входные токи логических единиц), а базовый ток уйдет в коллектор, создавая на базе транзи- стора VT2 высокий потенциал. Транзистор VT2 открывается, запирая при этом тран- зистор VT4 и отпирая транзистор VT5. Транзистор VT5 входит в насыщение, обеспе-

чивая на выходе напряжение, равное примерно 0,4 В. Это напряжение есть напряже-

 

вых

 
ние логического нуля U0

 

(положительная логика).

Источник тока на VT3 и эмиттерный повторитель на VT5 способствуют улуч- шению передаточной характеристики логического элемента. При отпирании транзи- стора VT2 потенциал коллектора VT5 начинает падать (рис. 2.17), и в отсутствии ис- точника тока, вместо которого может быть включен резистор, в точке 1 передаточной характеристики произошел бы излом, продолжение которого показано пунктиром.

 

U1

 
Uвых

вых      1          2

 

U0

 
вых      3

 

U0       1

вх. max            U вх. min         Uвх

 

Рис. 2.17. Аппроксимированная передаточная характеристика логического элемента ТТЛ (заштрихованы области допустимых значений U0вх и U1вх в статическом режиме)

 

Положение точки излома определяется напряжением отпирания транзистора

 

VT2, это максимально допустимое, т. е. пороговое напряжение логического нуля на

 

входе U

 
0

вх.max

 

 0,8 В. Однако источник тока на транзисторе VT3 проявляет свойства

 

нелинейного сопротивления и в начальный период повышения Uвх ограничивает кол-

вых

 
лекторный ток транзистора VT2, сдерживая спад выходного напряжения U1

 

. В то

же время с повышением Uвx   медленно повышается и потенциал эмиттера VT2 и в точке 2 транзистор VT5 отпирается. В результате происходит резкое снижение вы-

 

вых

 
ходного напряжения до уровня U0

 

, когда Uвх

 

достигает значения минимально до-

 

вx.min

 
пустимого напряжения логической единицы U1

 

 2,0 B (точка 3 на рис. 2.17), пе-

 

реходные процессы заканчиваются, т. к. транзистор VT5 оказывается насыщенным и дальнейшее повышение Uвх на потенциале коллектора практически не отражается.

Логические элементы серий 530, 531 явились результатом совершенствования

 

микроэлектронной технологии, позволившей в начале 70-х годов начать изготовление в масштабах серийного производства выпрямляющих контактов металл- полупроводник, известных как переходы Шоттки (рис. 2.18).

+

 
о  E п    о

 

R1        R3        R5

 

 

 

Х

1

Uвх  Х 2

VT1

 

VT2

 

 

VT4

 

VT5

 

VD4

Y

Х

 

VD1 – VD3

R2        R4

 

VT3

 

VT6

о

Х

 

Х

Uвых   2

о          Х 3

 

&                   

о   Y = X 1X2 X3

 

а          б

 

Рис. 2.18. Схема логического элемента И-НЕ серий 530, 531 ТТЛШ (а)

 

и его функциональное обозначение (б)

 

Идея использования нелинейной отрицательной обратной связи для повышения быстродействия транзисторных ключей состоит в следующем. Известно, что время, затрачиваемое на формирование фронта выходного импульса, определяется рассасы- ванием инжектированных неосновных носителей, когда транзистор переходит из на- сыщения в область отсечки. Необходимо предотвратить вхождение транзистора в ре- жим глубокого насыщения. Это может быть достигнуто путем приложения к участку база-коллектор запирающего напряжения.

Если между базой и коллектором включить диод Шоттки, подсоединив анодом к базе, то при отпирании транзистора на коллекторе в некоторый момент времени ус- танавливается потенциал, отпирающий диод Шоттки. Напряжение отпирания пере- хода Шоттки 0,4–0,5 В, т. е. меньше, чем падение на переходе база-коллектор и, сле- довательно,  диод  Шоттки  откроется  раньше, чем  переход  база-коллектор.  Таким образом  коллекторный переход оказывается запертым и режим насыщения исключа- ется.  Важным  достоинством диодов  Шоттки   является  то,  что в них отсутствует инжекция неосновных носителей. В связи с этим при выключении не затрачивается время  на  рассасывание  избыточного  заряда  и  время  их  переключения  составляет около 0,1 нс.

В серии ТТЛШ 1531, 1533 использованы транзисторы с диодом Шоттки с очень малым объемом коллекторной области, чем реализовано практически предельное бы- стродействие. На рис. 2.19 представлена схема ТТЛШ 1531 серии, реализующая опе-

рацию И-HE.

 

o

 

R1        R2        R4        R5

+E п

 

 

 

 

Х 1 o

 

VD1

 

VT1

VT2

 

VD5

 

VD6

 

 

VT3

 

R6

 

o

 

Y = Х1Х2

Х  o

2

VD2

 

R3        R7

 

VT4

 

R8

 

VT5

 

 

 

 

VD3     VD4

VT6

 

 

Рис. 2.19. Принципиальная схема элемента ТТЛШ серии 1531

 

Чтобы сохранить значительную нагрузочную способность элемента, входной ток низкого уровня уменьшен примерно в 10 раз. Для этого в схему ЛЭ добавлен по- сле логической диодной матрицы эмиттерный повторитель на транзисторе VT1. Рези- сторы R1 и R3 фиксируют пороговое напряжение на уровне 1,5 В, что повышает по- мехоустойчивость ЛЭ.

В  таблице  2.10  приведены  сравнительные  характеристики  различных  серий

 

ТТЛ-элементов по быстродействию и потребляемой мощности.

 

Таблица 2.10

 

Серия ТТЛ

К134

К155

К131

К555

К531

К1533

К1531

tз.ср., нс

33

9

6

9,5

3

4

3

Рном, мВт

1

10

22

2

19

1,2

4