4.4. ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Диодно-транзисторные логические элементы (ДТЛ) имеют следующие достоинства: простоту схем, гибкость расширения Функциональных возможностей (объединение выходов в монтажное ИЛИ, увеличение количества входов подключением внешних диодов и т. д.).

На рис. 4.20,а показана схема типичного -входового элемента ДТЛ, который состоит из диодного ключа (диоды , резистор ) и последовательно с ним связанного транзисторного ключа , транзистор VT). Диодный ключ в положительной логике реализует логическую функцию И, а транзисторный ключ помимо усиления сигнала с выхода диодного ключа по мощности и формированию требуемых уровней логического «0» к «1», выполняет также логическую функцию инверсии НЕ. Как видно из таблицы истинности для случая (рис. ), такой элемент реализует логическую функцию .

Аналогично, для

Рис. 4.20.

Условное графическое обозначение ДТЛ-элемента, реализующего функцию (4.25), показано на рис. 4.20,в, где вход обеспечивает возможность подключения внешних диодов и расширения функций элемента по И.

Особенностью электрической схемы рис. 4.20,а является использование в базовой цепи транзистора диодов , которые предназначены для увеличения порогового напряжения транзисторного ключа и предотвращения срабатывания его от помех входных сигналов на уровне логического «0». Резистор включается между базой и общей шиной (либо подключается к источнику запирающего смещения) и обеспечивает протекание обратного тока коллекторного перехода в режиме отсечки, транзистора. Отсюда вытекает ограничение на величину сопротивления , где — пороговое напряжение транзистора VT и обратный ток коллектора при максимальной температуре окружающей среды.

Если хотя бы на одном из входов элемента установился низкий уровень входного сигнала , соответствующий входной диод VDI; открыт и через него протекает ток от источника питания , ограниченный резистором . Напряжение на выходе диодного ключа (вывод ) U определяется доминирующим (минимальным) входным сигналом и превышает его на величину цадения напряжения на открытом диоде

Если напряжение удовлетворяет условию или , где пороговые напряжения соответственно диодов и транзистора VT, то транзистор заперт и его коллекторе поддерживается высокий потенциал случае когда ни на один из входов не подается низкий уровень (т. е. либо на входы подается окий уровень, либо входы не подключены), ток резистора переключается через диоды в базу транзистора, который открывается. Сопротивление выбирается так, чтобы транзистор был насыщен в наикудших условиях (при и максимальном токе нагрузки

Резисторы в значительной мере определяют потребляемую элементом энергию Рпот от источника питания. Они влияют и на быстродействие схемы, так как из выражения (4.26) коэффициент насыщения транзистора

и в соответствии с соотношениями (4.8), (4.15) и (4.17) определяет длительность задержки включения , время включения , длительность процесса рассасывания , а также длительность положительного фронта .

Диоды помимо увеличения порогового напряжения должны обеспечить быструю рекомбинацию заряда в базе транзистора VT под воэдейстсием входного сигнала. Для этого заряд диодов должен рассасываться дольше, чем заряд в базе транзистора, т. е. большое обратное сопротивление диодов должно восстановиться после запирания транзистора.

На рис. 4.21 показаны статические вольт-амперные характеристики элемента ДТЛ (см. рис. 4.20): а — входные, б — передаточные, в — выходные.

Рис. 4.21.

Входная характеристика ИМС обычно снимается при Отключенных остальных входах. На рис. 4.21,а показана зависимость от входного напряжения на входе тока данного входа и тока диодов , который приближенно равен току базы транзистора. На входной характеристике можно выделить следующие области:

I. — входной диод открыт, через него замыкается ток резистора , между входным напряжением и током имеет место линейная связь , где — справочный параметр ИМС стандартных серий. Ток i соответствует обратному току закрытых диодов, поэтому весьма мал.

II. (-происходят запирание входного диода и одновременно отпирание транзистора, поэтому входной ток резко уменьшается с ростом , а ток соответственно нарастает за счет перераспределения тока резистора .

III/ — входной диод заперт, поэтому входной ток

«логической 1» весьма мал, ток диодов максимален и не зависит от величины напряжения на входе.

Передаточная характеристика элемента — зависимость выходного напряжения 11г от доминирующего входного сигнала (рис. 4.21, б). Вид передаточной характеристики зависит от тнпа и параметров нагрузки. Пусть нагрузкой ДТЛ-элемента являются входные цепи аналогичных элементов и количественно характеризуются коэффициентом разветвления . Соответственно входным на передаточной характеристике также можно выделить три области. В области , где , траизистор остается запертым и на его выходе поддерживается постоянное напряжение

где — входной ток «логической каждой из нагрузок.

В области II , транзистор находится в активном режиме и схема обладает довольно большим коэффициентом усиления по напряжению. Коэффициент усиления оконечного каскада зависит от параметров нагрузки. В случае при достижении на выходе области II входных характеристик нагрузочных элементов дифференциальное сопротивление нагрузки резко уменьшается, это обусловливаетуменьшение коэффициента усиления и на передаточной характеристике наблюдается соответствующий излом.

В области III транзистор насыщен и выходное напряжение «логического 0» не зависит от , но зависит от параметров нагрузки:

Выходные характеристики ДТЛ-элемента — зависимость выходного тока (тока нагрузки) от выходного напряжения при . На рис. 4.21, в семейство выходных характеристик предоставлено двумя граничными характеристиками для .

При транзистор заперт и выходная каратеристикй по существу описывает ВАХ резистора , подключенного к источнику питания . При транзистор насыщен и выходное сопротивление ДТЛ-элемента определяется как . С ростом тока (втекающего) нагрузки уменьшается коэффициент насыщения и при достижении значения Транзистор из насыщения переходит в активный режим и его выходное сопротивление возрастает:

Рис. 4.22.

где — выходное сопротивление транзистора в активном режиме. Как видно из выходных характеристик, нагрузочная способность ДТЛ-элемента в статическом режиме зависит от сопротивления и коэффициента усиления транзистора по току . Чем меньше сопротивление , тем больше и , но тем выше энергопотребление элемента. Сопротивление определяет скорость перезаряда нагрузочной емкости и длительность фронта .

Из других базовых ИМС ДТЛ-типа необходимо выделить элемент, выполняющий функцню инверсии (НЕ) и элемент ИЛИ—НЕ. Первый из них — частный случай элемента при Схемные реализации элемента ИЛИ—НЕ показаны на рис. 4.22. Схема на рис. проще, но обладает существенным недостатком: степень насыщения транзистора S, а следовательно, и быстродействие элемента зависит от уровня «логической 1» на входе, который может изменяться по многим причинам. Такую зависимость можно устранить усложнением схемы (рис. ). На рис. 4.22,в показано условное графическое изображение элемента ИЛИ—НЕ.

Нагрузочная способность ДТЛ-элемента увеличивается при использовании на его выходе двухтактного усилителя мощности. На рис. 4.23,а, б на примере ДТЛ-элемента двухступенчатой логики И—ИЛИ—НЕ показана схема усилителя мощности, часто используемого в ИМС на биполярных транзисторах.

Здесь первый каскад имеет два фазоинверсных выхода, которые управляют режимом транзисторов оконечного каскада на составном транзисторе и транзисторе . Если доминирующий входной сигнал

то транзисторы VT1 и заперты, открыты и на выходе формируется высокий уровень:

Рис. 4.23.

Таблица 4.1

Если же транзисторы VT1 и насыщены, , в режиме отсечки. На выходе устанавливается низкий уровень . В обоих состояниях сквозной ток через транзисторы не протекает, так как в этой цепи всегда один транзистор заперт. Благодаря этому выходное сопротивление ДТЛ-элемента в обоих логических состояниях мало, а энергопотребление схемы не возрастает. Сквозной ток через оконечный каскад может протекать в переходном режиме «логичекого 0» в «логическую 1» на выходе. Для его ограничения в схему лючен резистор . Нагрузочная способность таких элементов достигает и выше.

Рис. 4.24.

В Табл. 4.1 приведены основные классификационные параметры ДТЛ-комбинационных элементов наиболее широко используемых промышленных серий ИМС [33]. В графе УГО (условное графическое обозначение) приведена позиция чертежа корпуса на рис. 4.24, на котором показан тип корпуса и функциональное назначение выводов ИМС.