4.5. ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Простейший элемент транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) получают из ДТЛ-элемента (см. рис. 4.20,а) заменой группы входных диодов , а также диодов смещения (рис. 4.25, а) многоэмиттерным биполярным транзистором (МЭТ) о числом эмиттеров, соответствующим числу входов (рис. ). Статические характеристики схемы . 4.25,в подобны характеристикам ДТЛ-элемента (см. рис. 4.21).

Рис. 4.25.

Отличие состоит в изменении порогового напряжения

где напряжение коллектор — эмиттер насыщенного МЭТ, — пороговое напряжение транзистора . Уменьшение порогового напряжения влечет за собой снижение помехоустойчивости. Кроме того, входной ток при высоком уровне входного сигнала заметно больше, чем в ДТЛ-элементе, так как представляет собой ток транзистора в инверсиом активном режиме.

Схема базового ТТЛ-элемента промышленных серий, реализующая логическую функцию , показана на рис. 4.26,а. В системе положительной логики МЭТ с резистором в цепи базы реализуют логическую операцию И, а двухтактный усилитель мощности на транзисторах используется как днод) выполняет функцию НЕ, обеспечивает формирование стандартных логических уровней выходного сигнала и согласование ТТЛ-элемента с заданной нагрузкой.

Режим работы МЭТ определяется доминирующим входным сигналом

а также входным сопротивлением транзистора .

Если потенциал базы транзистора меньше порогового напряжения (для кремниевых транзисторов , транзистор находится в режиме отсечки, на его коллекторе поддерживается высокий потенциал , а на эмиттере — низкий потенциал . Поэтому транзистор также заперт, а транзисторы открыты (в активном режиме), но при отключенной нагрузке ток через определяется обратным током коллекторного перехода транзистора . Входное сопротивление транзистора велико и входной ток мал . С увеличением потенциала транзистор переходит в активный режим, токи увеличиваются, растет потенциал эмиттера и падает потенциал коллектора .

Рис. 4.26.

Пока потенциал недостаточен для отпирания транзистора , его входное сопротивление

остается большим и входной ток незначительно возрастает. В момент отпирания транзистора полное эмиттерное сопротивление и, следовательно, входное сопротивление транзистора

резко уменьшается и соответственно увеличивается ток .

Резкое падение входного сопротивления, таким образом, происходит при 1,4 В. Поэтому при любой комбинации входных сигналов, если , ток базы МЭТ

замыкается через один или несколько примосмещеиных змиттерных переходов МЭТ и поддерживает его в режиме насыщения. Поскольку напряжение коллектор — открытый эмиттер в режиме насыщения траизизтора можно считать, что , т. е. входное напряжение усилителя равно наименьшему из входных напряжений.

Если , то все эмиттеры МЭТ смещены в обратном направлении, а коллектор — в прямом и МЭТ работает в инверсном активном режиме. В цепи базы протекает ток

( — напряжение на открытом коллекторе МЭТ), который определяет входные токи «логической . Сумма входных токов

где — коэффициенты передачи тока МЭТ в инверсном активном режиме. Ток обеспечивает состояние насыщения транзистора с коэффициентом насыщения

На коллекторе насыщенного транзистора и базе имеем низкий потенциал, слагающийся из напряжения на открытом эмиттерном переходе транзистора остаточного напряжения насыщения транзистора . Выходное напряжение определяется напряжением коллектор — эмиттер транзистора и в его насыщенном состоянии пропорционально току нагрузки :

где — сопротивление промежутка коллектор — эмиттер насыщенного транзистора .

Во многих реализациях ТТЛ-элементы содержат во входной цепи защитные диоды , которые предотвращают пробой эмиттерного перехода транзистора входными сигналами и помехами отрицательной полярности. При напряжении на входе открывается соответствующий диод , шунтирует вход и напряжение не падает существенно ниже — 0,7 В.

Статические входная (а), передаточная (б) и выходные (в) характеристики ТТЛ-элемента показаны на рис. 4.27.

Область входной и передаточной характеристики ограничена изменением доминирующего входного сигнала в диапазоне . При Этом входное сопротивление линейно и входной ток определяется выражением

Выходное напряжение остается неизменным и определяется выражением

где - абсолютное значение «вытекающего из элемента тока нагрузки. При из выражения (4.27) получим типовое значение единичного выходного уровня ТТЛ-элемента: .

Излом вводной характеристики в точке А появляется при наличии в ТТЛ-элементе защитных диодов на входе.

Область входными напряжениями . Так как транзистор находится в активном режиме, входное сопротивление ИМС становится несколько меньше и определяется параллельно включенными сопротивлениями . Поэтому на входной характеристике в точке В наблюдается слабый излом.

Рис. 4.27.

Изменение выходного напряжения в области II обусловлено коэффициентами передачи фазоинверсного каскада на транзисторе и эмиттерного повторителя на транзисторе

Наличие области II снижает помехоустойчивость ТТЛ-элемента на низких уровнях входного сигнала, так как необходимо, чтобы Эта область устраняется и помехоустойчивость возрастает, если резистор (рис. 4.26,а) заменить нелинейным двухполюсником на транзисторе (рис. ). В этом случае область I входных и передаточных ВАХ расширяется до . На рис. 4.27,а, б соответствующие ВАХ показаны штриховой линией.

Область III входной и передаточной характеристик формируется при малых (десятки милливольт) приращениях в окрестности . На входной характеристике наблюдается переключение тока резистора из входной цепи в цепь базы транзистора . Крутизна передаточной характеристики в области III максимальна, так как все транзисторы ТТЛ-элемента находятся в активном режиме и коэффициент передачи напряжения максимален. В случае большой нагрузки элемента на уровне наблюдается излом передаточной характеристики, той же причиной, что и в ДТЛ-элементе.

Область IV характеризует элемент во включенном состоянии. Выходное напряжение не зависит от входного, но зависит от тока нагрузки.

Выходные характеристики (рис. 4.27, в) в зависимости от значения параметра покрывают область между граничными характеристиками, определенными для .

Если , то при токе нагрузки на выходе формируется высокий уровень согласно выражению (4.27). При уменьшении выходного напряжения растет «вытекающий» из ИМС ток, и ток быстро нарастает (участок ), так как транзистор в активном режиме и его выходное сопротивление мало: .

При переходе транзистора в режим насыщения выходное сопротивление возрастает , крутизна характеристик уменьшается и осгаегся постоянной вплоть до отрицательных напряжений (учлсток 2). Участок 3 при обусловлен влиянием паразитного диода коллектор—подложка транзистора . Увеличение приводит к запиранию эмиттеров транзисторов , поэтому на участке 4 выходной ток не зависит от .

Если насыщен и при на нем падает напряжение . С уменьшением транзистор переходит в инверсный активный режим (участок 5), а с увеличением ток [2 нарастает (участок 6). При переходе транзисюра в акшаный режим его выходное сопротивление резко возрастает, а ток стабилизируется (участок 7).

Рис. 4.28.

В диапазоне изменения входного параметра , что соответствует области II передаточной ВАХ, участки и 2 выходной характеристики смещаются влево на величину напряжения, соответствующую приращению . и ограничены экстраполируемыми участками 3 и 4. В режиме максимального усиления (область III передаточной ВАХ) транзистор находится в активном режиме, поэтому выходной ток, соответствующий участку 4, нарастает вплоть до граничного значення (участок 7).

Потребляемый ТТЛ-элементом ток от источника питания также зависит от доминирующего входного сигнала (рис. 4.28). При потребляемый ток обусловлен только входными токами и ограничивается резистором (см. рис. 4.26, а). С ростом в области уменьшается, так как уменьшается входной ток. В области II ток «пот нарастает за счет открывающегося транзистора .

В области III достигает максимума, когда все транзисторы элемента открыты. В области IV потребляемый ток определяется базовой и коллекторной цепью транзистора

Следует отметить, что наибольший внутренний ток потребления протекает в переходном процессе, когда транзистор отпирается, запирается с задержкой на рассасывание заряда в базе. Для ограничения сквозного тока через оконечный каскад в коллекторную цепь транзистора включен резистор .

Рис. 4.29.

Переходные процессы в ТТЛ-элементе обусловлены накоплением II рекомбинацией неосновных носителей в базах транзисторов, а также перезарядом межэлектродных, монтажных и нагрузочной емкостей. На рис. 4.29,а показаны временные диаграммы для входного и выходных импульсов при емкости нагрузки и сопротивлениях нагрузки кОм и (рис. 4.29.6)

Задержка включения на переднем фронте выходного импульса определяется крутизной фронта входного импульса

Отрицательный фронт выходного сигнала формируется в процессе разряда емкости нагрузки Си коллекторным током транзистора . При падает линейно во времени и длительность фронта

где

или при .

Длительность задержки выключения определяется крутизной отрицательного фронта выходного сигнала также процессом рассасывания избыточного заряда в базе транзистора :

где - среднее время жизни неосновных носителей в базе насыщенного транзистора — ток эмиттера транзистора на этапе рассасывания.

Длительность выключения ТТЛ-элемента определяется процессом заряда емкости нагрузки через открытые транзисторы :

где .

Подключение сопротивления нагрузки приводит к уменьшению длительности фронта , так как образует дополни, тельную цепь заряда, одновременно увеличивается фроит вследствие увеличения перепада выходного напряжения

Важнейшими классификационными параметрами промышленных - серий ИМС являются длительности задержки распространения и . В случае ТТЛ-элемента, нагруженного на , они определяются соотношениями (по уровням U входного и выходного сигналов):

Как видно из соотношений (4.28) — (4.30), увеличение быстродействия ТТЛ-элементов связано с уменьшением сопротивлений внутренних резисторов, что приводит к росту потребляемой элементами энергии, причем произведение

характеризует в целом технологию ИМС.

На рис. 4.30,а показаны схема логического элемента и его условное графическое обозначение (рис. ). Здесь логическая функция И реализуется многоэмиттерными транзисторами аналогично рассмотренной выше схеме . Функция ИЛИ реализуется включенными параллельно транзисторами . Если хотя бы один из них открыт, через резисторы протекает ток, который создает для транзистора запирающий, а для отпирающий потенциал на базе и на выходе элемента устанавливается «логический 0».

Если же одновременно заперты, то на выходе устанавливается уровень . Количество входов по И может быть различным по каждой из групп, но обычно .

Рис. 4.30

Рис. 4.31.

В частном случае, когда каждый из транзисторов имеет один эмиттер, получается элемент одноступенчатой логики ИЛИ—НЕ. Количество входов (групп) по ИЛИ ограничено соображениями быстродействия и температурной стабильности, так как параллельное включение транзисторов приводит к увеличению эквивалентной емкостной нагрузки фазоинверсного каскада, а через резистор протекает суммарный тепловой ток транзиторов .

Рис. 4.32.

В схеме на рис. 4.30, а показаны выводы А, В, которые можно использовать для подключения дополнительных внешних схем, расширяющих логические возможности элемента.

Рис. 4.33.

Схема широко используемого варианта расширителя (экспандера) показана на рис. 4.30,в.

Из схемных вариантов ТТЛ-элементов следует выделить элемент на транзисторах и диодах Шотки (ТТЛШ), схема которого показана на рис. 4.31,а. Высокое быстродействие ТТЛШ-элемента достигается ненасыщенным режимом работы транзисторов. Благодаря этому можно увеличить ток и сократить в соответствии с выражением (4.28) длительность фронта , в результате уменьшается время задержки выключения . так как в выражении (4.29) исключается второе слагаемое.

При использовании составного транзистора согласно выражению (4.30) уменьшается длительность положительного фронта , поскольку уменьшается выходное сопротивление в состоянии «логической 1» на выходе:

Таблица 4.2

(см. оригинал)

Таблица 4.2 (продолжение)

(см. оригинал)

В соответствии с выражениями (4,31), (4.32) уменьшаются длительности .

В схеме на рис. 4.31,а нелинейный двухполюсник на транзисторе с резисторами обеспечивает большое динамическое сопротивление в эмиттерной цепи транзистора и температурную стабилизацию транзистора в режиме отсечки. Благодаря большому сопротивлению такого двухполюсника коэффициент передачи элемента в области II (рис. ) передаточной ВАХ и повышается помехоустойчивость ТТЛШ-элемента.

Для подключения к общей информационной шине используется специальный ТТЛ-элемент, у которого помимо обычных состояний или «1» выходная цепь может находиться в третьем состоянии с отключенным выходом. Для реализации такого режима в схеме используется дополнительный вход . При , а при оба плеча оконечного двухтактного усилителя заперты и выход у от информационной шины оказывается отключенным.

В цифровых устройствах возникает необходимость реализовать «монтажное ИЛИ», переключать компоненты, питаемые дополнительными источниками напряжения (элементы индикации) или компоненты с токовым управлением (электромагнитные реле). Для этих целей предусмотрены ТТЛ-элементы, имеющие в качестве выходного каскад с открытым коллектором (рис. 4.32). В случае подключения к выходу такого элемента индуктивной нагрузки (обмотка реле) необходимо обеспечить защиту коллектора транзистора от пробоя напряжением самоиндукции. Для этой цели обычно служит демпфирующая цепочка , VDUI.

В табл. 4.2 приведены основные классификационные параметры комбинационных ТТЛ-элементов широко используемых промышленных серий [33], а на рис. 4.33 показана коммутация таких элементов с внешними выводами корпуса.