2. Логические элементы на основе транзисторно-транзисторной логики (ттл)

Популярность цифровых электронных схем обусловлена широкой доступностью и относительно невысокой стоимостью соответствующих интегральных схем. Изготовители разработали множество семейств (типов) цифровых интегральных схем (ИС), представляющих собой наборы схем, которые могут использоваться совместно. Если ИС принадлежат к одному семейству, то говорят, что они совместимы, следовательно, такие ИС легко соединять друг с другом.

Семейство объединяет набор вентилей, выполняющих различные логические функции и построенных на основе какой-то данной технологии.

Обычно какая-то одна логическая функция является превалирующей для данного семейства вентилей, поэтому она является универсальной (например, И-НЕ, ИЛИ-НЕ), т. е. такой при помощи, которой можно реализовать все логические функции.

Логические семейства можно разделить на два основных класса: выполненные на биполярных транзисторах и выполненные на полевых МОП-транзисторах.

Семейство цифровых ИС, которые изготавливаются с использованием МОП-технологии (металл–окисел–полупроводник), содержат n-канальные или p-канальные транзисторы (рис. 5–7). Семейство КМОП-ИС (рис. 8) – это широко используемые схемы, которые в одном вентиле объединяют как n-канальные так и p-канальные транзисторы. Они обладают очень малым потреблением энергии и содержат полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET).

Рис. 5. Вентиль ИЛИ-НЕ с двумя входами, построенный на n-канальных нормально закрытых МОП-транзисторах.

Рис. 6. Вентиль И-НЕ с двумя входами, построенный на n-канальных нормально закрытых МОП-транзисторах.

Рис. 7.

p-МОП-инвертор.

Рис. 8.

КМОП-инвертор.

Семейство цифровых ИС, получаемые на основе биполярной технологии, содержатся элементы, похожие на отдельно выпускаемые (дискретные) биполярные транзисторы, диоды и резисторы.

Транзисторно-транзисторная логика – это одно из важнейших семейств логических элементов. Вентили этого семейства выполнены исключительно на биполярных транзисторах (Рис. 9).

Рис. 9. ТТЛ-вентиль с нагрузочным резистором.

Существует несколько подсемейств транзисторно-транзисторной логики, основанных на двух основных вариациях в базовых схемах. Одна вариация связана с уровнем потребляемой мощности, а другая – с использованием диодов и транзисторов Шоттки.

ИС на основе ТТЛ-технологии находят широкое применение и выпускаются различными фирмами-изготовителями в соответствии с унифицированными спецификациями. Есть специализации для стандартных ТТЛ-схем и ТТЛ-схем с малой мощностью потребления.

В вентилях обоих типов логическим значением 0 и 1 соответствуют одни и те же уровни напряжения, на выходе – это максимум 0,4В для логического 0 и минимум 2,4 В для логической 1.

Схемы обоих типов требуют одного и того же питающего напряжения 5 В.

Однако они различаются требуемыми входными токами, допустимыми выходными токами, а также рассеиваемой мощностью (мощность, потребляемая вентилем во время работы).

В обеих разновидностях существенный ток наблюдается лишь при низком потенциале (логический 0). Этот ток течет от входа вентиля и попадает на выход предыдущего вентиля. У стандартных ТТЛ-вентилей при логическом 0 на входной линии номинальный ток на входе равен 1,6 мА, на выходе может поддерживаться ток до 16 мА. Следовательно, коэффициент разветвления по выходу (максимальное количество входных линий других вентилей, которыми управляет выход какого-то одного вентиля) у стандартных схем ТТЛ равен 10. У маломощных схем ТТЛ ток, соответствующий логическому 0 на входе, равен 0,36 мА, а на выходе может поддерживаться ток до 8 мА. Коэффициент разветвления по выходу маломощных ТТЛ-вентилей приблизительно равен 22.

Существенное различие между этими двумя разновидностями ТТЛ-схем заключается в более чем вчетверо меньшей величине тока на входах маломощных схем по сравнению со стандартными. Это оказывается очень важным фактором при сопряжении ТТЛ-схем с микропроцессорами, которые, как правило, могут обеспечить лишь сравнительно небольшой ток на своих выходных линиях.

Другое различие между ними состоит в уровне рассеиваемой мощности, приходящейся на один вентиль. Мощность, рассеиваемая маломощными вентилями, приблизительно в 10 раз меньше.

Недостаток маломощных схем заключается в их меньшем быстродействии по сравнению со стандартными – приблизительно в 3 раза. Это объясняется тем, что при относительно слабых токах в маломощных системах для зарядки и разрядки различных емкостей требуется больше времени.

У схем, в которых использованы диоды и транзисторы Шоттки, заметно увеличивается быстродействие. Диод Шоттки основан на переходе, образующемся на границе металла и полупроводникового материала n-типа. Он обладает выпрямляющими свойствами, подобно диоду с pn-переходом. Диод Шоттки применяют в комбинации с биполярными транзисторами, чтобы повысить их быстродействие. Схемы ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛДШ) существуют как в стандартном, так и а маломощном варианте. Их быстродействие в 3–4 раза выше, чем у соответствующих схем без диодов Шоттки (время задержки сигнала по 3 нс, потребляемая мощность на элемент – 20 мВТ).

Схемы ТТЛ имеют среднее быстродействие со временем задержки сигнала в логическом элементе 10–30 нс и работает при уровнях тока порядка 10 мА. Потребляемая мощность на элемент – 10 мВт. Используются в ИС малой и средней степени интеграции.

На рис. 10 изображена ИС распространенного типа. Она относится к семейству корпусированных ИС с двухрядным расположением выводов (корпус типа DIP). Данная ИС определяется как ИС в корпусе типа DIP с 14 выводами.

Рис. 10. Корпус ИС с двухрядным расположением выводов (DIP).

Метка на корпусе указывает положение вывода 1. Дальнейшая нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки от 1 до 14, если смотреть на корпус ИС сверху.

Изготовители ИС обычно сопровождают свои изделия схемой расположения выводов. Приведенная на рис. 11 ИС 7408, содержит четыре логические элемента И с двумя входами каждый, поэтому такую схему называют логической схемой на четыре элемента И с двумя входами.

Рис. 11. Схема расположения выводов цифровой ИС 7408.

Она относится к общедоступной серии ИС 7400. Питание подается на ИС через выводы, обозначенные как ОБЩИЙ (вывод 7) и Vcc (вывод 14). Все другие выводы являются входами и выходами четырех ТТЛ-элементов.

На рис. 12 изображена верхняя часть корпуса цифровой ИС.

Рис. 12. Маркировка типичной цифровой ИС, выпускаемой фирмой National Semiconductor.

Буквы NS на верхней части корпуса ИС определяют фирму-изготовителя: National Semiconductor. Основное обозначение DM7408N означают: DM (префикс) – условный код фирмы-изготовителя; 7408 – ИС типа 7400 на четырех логических элементах И с двумя входами каждый; N (суффикс) – код, для обозначения корпуса типа DIP.

На рис. 13 изображена верхняя часть корпуса цифровой ИС.

Рис. 13. Маркировка типичной цифровой ИС, выпускаемой фирмой Fairchild Camera and Instrument.

Буквы F на верхней части корпуса ИС определяют фирму-изготовителя: Fairchild Camera and Instrument; 74LS08 – ИС на 4-х логических элементах И с двумя выходами каждый, LS – означают, что в схеме использованы ТТЛ-элементы, в данном случае схема относится к приборам с барьерами Шоттки с малой потребительной мощностью; суффикс Р обозначает пластмассовый корпус типа DIP; С – код диапазона рабочих температур от 0 до +70^оС.