Cборник_ЛР

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ДТЛ) И ТРАНЗИСТОРНО-

ТРАНЗИСТОРНЫХ (ТТЛ) ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

Цель работы: изучение принципов работы ДТЛ и ТТЛ схем, приобретение навыков аналитического расчета и экспериментального исследования их статических характеристик.

Теоретические сведения

Введение

Первые схемы диодно-транзисторной логики выпускались за несколько лет до изобретения интегральных схем. Затем с конца 50-х - начала 60-х годов их вместе с другими типами логики стали изготавливать в интегральном исполнении.

Диодно-транзисторные и транзисторно-транзисторные логические схемы являются функциональными и электрическими аналогами, которые различаются в основном конструкцией входного узла. В ДТЛ схеме входная функция “И” реализована с помощью диодов (рис.4.1а,б,в).

С учетом особенностей интегральной технологии в первой половине 60-х

годов была предложена разновидность транзисторных схем, в которых на входе группу диодов заменил многоэмиттерный транзистор ТТЛ-схемы (рис.4.1,г,е). Это позволило существенно повысить быстродействие схемы. Использование одного источника питания (а в некоторых ДТЛ схемах применяются 3 источника), достаточно высокое быстродействие, высокая помехо

73

д

Рис.4.1. Разновидности ДТЛ- и ТТЛ-элементов: (а) ДТЛ-элемент с простым выходным каскадом; (б) ДТЛ-элемент с термостабилизецией; (в) ДТЛэлемент со сложным выходным каскадом; (г) ТТЛ-элемент со сложной нагрузкой; (д) ДТЛШ; (е) ТТЛ-элемент с простой нагрузкой.

74

защищенность, устойчивость к технологическому разбросу сделали ТТЛ ИС самыми популярными и распространенными микроэлектронными изде-

лиями 60-х - 70-х годов.

К настоящему времени ТТЛ ИМС и их разновидности с диодами Шоттки

(ТТЛШ) являются компонентной базой биполярных ИС малой и средней сте-

пени интеграции. В самых распространенных маломощных вентилях ТТЛШ входная логическая функция “И” реализуется на диодах Шоттки, поэтому их можно было бы именовать ДТЛШ (рис.1,д) [1, 2].

Работа базовых элементов

Все приведенные на рис.4.1 логические схемы реализуют функцию И-НЕ,

в частности, для входов А и В на выходе имеем AB .

Рассмотрим подробнее назначение и режимы работы элементов ДТЛ-

схемы (рис.4.1,а). Если на оба входа А и В подано напряжение, соответствую-

щее логическому нулю, диоды D1 и D2 будут открыты. От источника питания

UИП1 через резисторы R1, R2 и диоды D1, D2 протекает ток. В состоянии логи-

ческого нуля на входе входной ток вытекает из схемы, а потенциал общего узла анодов диодов U y0 можно легко найти, зная Uвх0 ,

U y0 Uвх0 Uдиода ,

где Uдиода - падение напряжения на открытом диоде.

При этом, если на входах потенциалы различаются, то Uy определяется более низким значением Uвх. Величина U y0 недостаточна для отпирания по-

следовательной цепочки эмиттерный переход транзистора T1 - диод D3 -

эмиттерный переход транзистора T2. Поэтому выходной транзистор T2 за-

крыт, (точнее говоря, T2 работает в нормальном активном режиме (НАР) с то-

ком эмиттера равном нулю). Через резистор R4 ток не протекает, поэтому по-

75

тенциал на выходе Uвых = UИП2. Это состояние соответствует логической еди-

нице,

Если хотя бы на одном из входов (предположим, на входе В) повысить на-

пряжение до величины Uвх1 B UвхA Uвх0 A , то диод D2 закроется, поскольку

Uвх1 B U у0 Uвх0 A U D .

Когда на все входы одновременно подано напряжение логической едини-

цы Uвх1 , диоды D1 и D2 запираются, потому что теперь потенциал Uy ограни-

чен сверху величиной, равной суммарному падению напряжения на прямо-

смещенных эмиттерных переходах транзисторов T1 и T2 и диоде D3. Это зна-

чение U 1y Uвх1 . Транзистор T1 благодаря способу включения резистора R2

(рис.4.1,а) работает в нормальном активном режиме (НАР) и обеспечивает усиление тока в базовой цепи транзистора T2, в результате чего последний входит в режим насыщения. Напряжение на выходе

Uвых UКЭн2 .

Это состояние соответствует логическому нулю

Резистор R4 ограничивает ток коллектора транзистора T2, предохраняя его от “сгорания”, и позволяет повысить быстродействие при выключении T2.

Резистор R3 необходим для ускорения выключения транзистора T2 при изме-

нении напряжения на входе с Uвх1 на Uвх0 .

Использование в данной схеме двух источников питания не обязательно.

Однако, увеличение UИП1 и уменьшение UИП2 способствует повышению на-

грузочной способности схемы. При этом минимальное допустимое значение

UИП1 и UИП2 примерно равно падению напряжения на трех прямо смещенных

р-n-переходах.

76

Сходный принцип работы характерен и для других схем данного класса

(см. рис.4.1). Введение сложных выходных каскадов (рис.4.1в,г,д) позволяет существенно увеличить нагрузочную способность. Ряд других усовершенст-

вований касается методов повышения быстродействия, снижения рассеивае-

мой мощности и т.д. Чтобы представить некоторые особенности, связанные с переходом от ДТЛ к ТТЛ-схемам, рассмотрим подробнее назначение и режи-

мы работы элементов TТЛ-схемы со сложным выходным каскадом (рис.4.1,г).

Если на все входы (эмиттеры транзистора T1) одновременно или хотя бы на один из них подано напряжение Uвх0 , то T1 работает в режиме насыщения с током коллектора, равным нулю (ток не может втекать в базy транзистора T2).

Потенциал коллектора T1

U К1 U Б2 U вх0 U КЭн1 ,

который не превышает граничного напряжения UБЭгр2, и поэтому не дает воз-

можности открыться транзистору T2. Следовательно, ток через T2 практиче-

ски не протекает, и он работает в нормальном активном режиме с током эмит-

тера IЭ2 = 0. Поскольку падение напряжения на резисторе R3 также равно нулю, транзистор T4 закрыт, a через резистор R2 протекает только ток базы

T3, создавая незначительное падение напряжения на R2, которым во многих случаях можно пренебречь. Транзистор T3 работает в НАР, диод D также от-

крыт. Это состояние соответствует логической единице на выходе схемы:

I 1

Uвых U ИП U БЭн3 U D вых R2 U ИП U БЭн3 U D .

N 1

Втом случае, когда на входы одновременно поданы потенциалы Uвх1 ,1

эмиттерные переходы транзистора T1 запираются, и он переходит в инверс-

ный активный режим (ИАР). Ток из коллектора T1 втекает в базу транзистора

T2, включая последний и вводя его в насыщение. Ток, протекающий через ре-

зистор R3, повышает потенциал базы транзистора T4, отпирая его и вводя в

режим насыщения. С другой стороны, коллекторный ток транзистора T2 соз-

77

дает большое падение напряжения на R2. За счет этого потенциал базы T3 по-

нижается, и он закрывается. Для того, чтобы надежно запереть транзистор T3

где UКЭн* - напряжение коллектор-эмиттер насыщения транзистора без учета падения напряжения на rК; rК - сопротивление тела коллектора (в указанном случае транзистора T4); IК0 4 - ток в цепи коллектора T4, который втекает в не-

го (рис.4.1,г). Резистор R4 ограничивает ток в момент переходного процесса,

когда открыты оба транзистора Т3 и Т4.

Режимы работы элементов остальных логических схем приведены в таб-

лице 1.

Расчет токов ДТЛ схемы

Рассмотрим схему, изображенную на рис.4.1,а. Если на какой-либо вход подано напряжение Uвх0 , соответствующий диод открыт, и входной ток выте-

кает из схемы. В этом случае транзистор T1 закрыт.

Предположим, что диоды D1 и D2 одинаковы и открыты. Тогда по входам

А и В протекают равные токи

78

Таблица 4.1

Режимы работы элементов ДТЛ и ТТЛ-схем для двух логических состояний

Примечание: НАР - нормально-автивный режим, ИАР - инверсно-активный режим, ННР - нормальный насыщенный режим.

79

Этот же ток I 0 протекает во входной цепи, если открыт только один вход-

ной диод. Через все остальные элементы схемы ток практически не протекает.

В случае, когда на все входы схемы подан логический уровень единицы

Uвх1 , диоды D1 и D2 запираются, а транзисторы T1, Т2 и диод D3 открывают-

ся. Во входной цепи токи практически отсутствуют. Реально, входной ток Iвх1

определяется током утечки обратносмещенного диода. Через резистор R1 про-

текает ток, равный току эмиттера T1 ( IЭ = IК + IБ), через R2 - ток базы транзи-

стора T1. Поскольку T1 работает в НАР, то IЭ = ( N + 1)IБ , откуда следует, что

Однако при подключении к выходу данной схемы большого числа иден-

тичных ключей напряжение Uвых0 может существенно возрасти за счет увели-

чения падения напряжения на сопротивлении тела коллектора T2 от суммар-

ного тока нагрузочных схем Iвых0 (рис.1,а).

80

Статические характеристики ДТЛ-схемы

Входная характеристика ДТЛ схемы изображена на рис.4.2,а. Для случая,

когда напряжение увеличивается на входе А, а на входе В UвхB Uвх1

(рис.4.1,а), соотношение (4.3) описывает участок входной характеристики в области значений

0 U вхA U вх.гр ,

где величина Uвх.гр = UБЭгр1 + UD + UБЭгр2 – UD. При этом значении входного напряжения начинает закрываться входной диод и входной ток резко умень-

шается.

Одна из ветвей выходной характеристики (рис.4.2,б) соответствует слу-

чаю, когда на все входы подано напряжение Uвх1 , другая - когда хотя бы на одном входе потенциал равен Uвх0 . Первая соответствует выходной ВАХ транзистора T2 на участке его работы в режиме насыщения. Вторая же (тран-

зистор T2 в этом случае закрыт) - линейная функция с наклоном, соответст-

вующим значению сопротивления резистора R4.

Различают передаточные характеристики нагруженной и ненагруженной ДТЛ-схемы (рис.4.2,в). В первом случае на зависимости Uвых = f(Uвх) наблюдается характерный излом. Этот излом имеет место на участке характеристи-

ки, где транзистор T2 работает в нормальном активном режиме. Изменение наклона передаточной характеристики на изломе означает для исследуемой

(нагруженной) схемы некоторое снижение коэффициента усиления по напря-

жению dU вых dU вх . Это можно объяснить следующим образом. Нормальнo-

активный режим транзистора T2 характеризуется следующим равенством для токов IК2 = NIБ2. Увеличение тока коллектора T2 за счет резкого увеличения тока нагрузки (рис.4.2,а) требует соответствующего увеличения его тока базы.

На этом участке входные диоды нагруженной схемы D1 и D2 еще не полно-

81