4.2.5 Транзисторно-транзисторные логические элементы

Общая характеристика транзисторно-транзисторных логических элементов

Элементы ТТЛ появились в результате развития схем ДТЛ в направлении со­кращения числа компонентов, уменьшения емкости переходов и учета специфики интегральной технологии. Первоначально главной особенностью элементов ТТЛ было использование на входе многоэмиттерного транзистора (МЭТ) для реализации операции И.

Каждый эмиттер МЭТ используют как логический вход.

Число эмитте­ров определяет коэффициент на входе N, = 1.. .8 и более.

Промышленность выпускает следующие серии ТТЛ и ТТЛШ:

• стандартного среднего быстродействия (ТТЛ) — К133, К155, быстродейст­вующие— К130, К131, К599 и маломощные — К134, К158 (1963 г.);

• стандартные быстродействующие (ТТЛШ) — К530, К531 и маломощные — К533, К555 1970г.);

• сверхбыстродействующие (ТТЛШ) — КР1530 (тип AS), высокого быстродей­ствия — КР1531 (тип FAST) и маломощные — КР1533 (тип ALS) (1980 г.).

В этих сериях применена изопланарная технология на основе ионной им­плантации, прецизионной фотолитографии, обеспечивающих малые пло­щади и емкости переходов.

В микросхемах серий К533, К555, КР1531 и КР1533 вместо МЭТ на входы снова поставили диодные схемы совпадения, однако название схемотехники ТТЛШ сохра­нилось.

Транзисторно-транзисторный логический элемент с простым инвертором

Схема простейшего ТТЛ-элемента содержит МЭТ, коллектор которого подключен к базе инвертирующего транзистора VT2 (рис. 4.24, а).

Рисунок 4.24- Элемент ТТЛ с простым инвертором: а -схема; б -топология

М ногоэмиттерный транзистор (VT1) выполняет операцию И, транзистор VT2 — опе­рацию НЕ. Поэтому элемент в целом реализует функцию F = .

В первом при­ближении МЭТ с топологией, показанной на рис. 4.24, б, рассматривают как совокуп­ность из n (по числу эмиттеров) отдельных транзисторов с общими базой и коллек­тором.

Для исключения взаимного влияния эмиттерные переходы располагают друг от друга на расстоянии 10...15 мкм, что превышает диффузионную длину пробега но­сителей в базовом слое.

В схеме ТТЛ-элемента МЭТ работает в двух основных режимах: инверсном и насыщения.

Инверсный режим возникает после подачи на все входы высоких уровней на­пряжений U_IH. В результате эмиттеры Э1 и Э2 закрываются, коллекторный переход находится под прямым напряжением U* = 0,8 В и инжектирует электроны в общую базу.

Режим насыщения возникает при подаче на один из входов (или на оба), на­пример Х₁, низкого уровня входного напряжения U_IL. При этом эмиттер Э1 открывается, поскольку на нем падение напряжения U* = 0,8 В, и инжектирует электроны в базу МЭТ.

Транзисторно-транзисторный логический элемент со сложным инвертором

В микросхемах ТТЛ используют сложные инверторы, которые повышают быст­родействие и нагрузочную способность элементов. Схема базового (типового) эле­мента ТТЛ со сложным инвертором содержит три основных каскада (рис. 4.24, а):

1. Входной каскад, реализующий операцию И (транзистор VT1, резистор R1). Ко всем входам МЭТ подключены демпфирующие (антизвонные) диоды, ограничивающие влияние импульсов помех отрицательной полярности.

2. Фазоинверсный каскад (транзистор VT2, резисторы R_к и R_э), управляющий выходными транзисторами с помощью противофазных изменений напряже­ний на коллекторе и эмиттере VT2.

3. Выходной двухканальный усилитель (транзисторы VT3, VT4, смещающий диод VD3, резистор R₀). Сложный инвертор образуется совместной работой фазоинверсного и выходного каскадов.

Рисунок 4.24- Элемент ТТЛ со сложным инвертором: а -схема; б –усл. обозначение

При совпадении на входах элементов высоких уровней напряжений МЭТ пере­ключается в инверсный режим и своим коллекторным током открывает транзистор VT2. Часть эмиттерного тока транзистора VT2 втекает в базу транзистора VT4 и от­крывает его. После быстрого разряда паразитной емкости С_п через коллектор на­сыщенного транзистора VT4 на выходе устанавливается низкий уровень напряже­ния. При этом транзистор VT3 — закрытый, поскольку напряжение, прикладываемое к последовательно включенным переходам базы и диода VD3, недостаточно для его открывания.

При подаче на один из входов напряжения низкого уровня МЭТ переключается в режим насыщения, ток его коллектора равен нулю, вследствие чего закрываются транзисторы VT2 и VT4. При этом открытый транзистор VT3 работает в режиме эмиттерного повторителя: на его вход поступает высокий уровень напряжения с коллектора закрытого транзистора VT2, а нагрузкой служит сопротивление закрыто­го транзистора VT2. Эмиттерный повторитель передает на выход высокое напряже­ние

U_0H = U_CC - 2U*

где 2U*— прямое падение напряжения на двух последовательно включенных пере­ходах -базы транзистора VT5 и диода VD3.

Повторитель создает в нагрузке ток, в 50-100 раз превышающий его входное значение. Это также обеспечивает быстрый заряд паразитной емкости С_п.

В процессе переключения имеется кратковременный интервал, когда транзи­стор VT4 уже открыт, a VT3 — еще не успел закрыться. При этом возникает значи­тельный импульс тока от источника питания на землю (сквозной ток). Для уменьше­ния амплитуды сквозного тока в коллекторе транзистора VT3 поставлен ограничи­тельный резистор R_o = 100...200 Ом.

Рассмотренная схема элемента ТТЛ со сложным инвертором является типовой для ТТЛ серий К131, К133, К155 и др.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какую систему элементов, в основном используют в компьютерной схемотехнике, и какие её особенности?

2. Какие виды логики у потенциальных элементов.

3. Расскажите о работе элемента ИЛИ диодного логического элемента.

4. Расскажите о работе элемента И диодного логического элемента.

5. Расскажите о работе элемента НЕ.

6. Расскажите о работе элемента НЕ-ИЛИ диодно-транзисторного логического элемента.

7. Расскажите о работе элемента НЕ-И диодно-транзисторного логического элемента

8. Расскажите об общих характеристиках ТТЛ логических элементов.

9. Расскажите о работе ТТЛ элемента с простым инвертором.

10. Расскажите о работе ТТЛ элемента со сложным инвертором.