4. Схемы ТТЛ. Принцип работы. Достоинства. Модификации.

Транзисторно-транзисторные логические схемы (ТТЛ) представляют собой развитие схем ДТЛ и являются основой элементной базы интегральных схем мелкого и среднего уровня интеграции.

Подадим хотя бы на один вход низкий уровень . Параметры VTм подбирают так, что бы транзистор VTм , по этому входу был бы насыщен. При этом будет открыт так же и переход база-коллектор этого транзистора. Эквивалентная схема этого режима работы показана на рис.10.2

Определим напряжение на базе транзистора VT1. В соответствии с рис.10.2 это напряжение равно

(10.1)

где - напряжение коллектор-эмиттер насыщенного МЭТ VTм. Пологая = 0,2В, = 0,2В получаем, что

, (10.2)

где - пороговое напряжение открывания транзистора VT1. Транзистор VT1 закрыт. На выходе схемы получаем высокий уровень . Ток базы транзистора VT1 Коэффициент насыщения транзистора VT1 очень большой, что говорит о том, что ввести транзистор VTм в режим насыщения достаточно легко.

Подадим на все входы схемы рис.10.2 высокий уровень . Все переходы база - эмиттер транзистора VT1 окажутся закрыты. Напряжение питания через откроет переход база-коллектор транзистора VTм и переход база-эмиттер транзистора VT1. МЭТ(многоэмитерный транзистер) VTм перейдет в инверсный режим, транзистор VT1 - в режим насыщения. На выходе схемы установится низкий уровень

.

Видим, что при подаче хотя бы на один вход низкого уровня на выходе элемента ТТЛ устанавливается высокий уровень. Только при наличии высоких уровней одновременно на всех входах, на выходе получаем низкий уровень элемент выполняет операцию И-НЕ.

Из описания работы элемента ТТЛ следует, что транзистор VTм либо насыщен, либо находится в инверсном режиме. Переход база-коллектор транзистора VTм открыт постоянно. Цепь питания базы транзистора VT1 не разрывается. Надобность в установке цепи смещения транзистора VT1 в элементе ТТЛ отсутствует. Отсутствие цепи смещения транзистора VT1 является достоинством схемы ТТЛ.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Рассмотрим состояние элемента ТТЛ когда на все его входы подано высокий уровень, транзистор VTм находится в инверсном режиме, а транзистор VT1 насыщен. В базе транзистора VT1 накоплен избыточный заряд.

Пусть теперь хотя бы на одном входе напряжение перешло с высокого уровня на низкий. По этому входу транзистор VTм из инверсного режима перейдет в режим насыщения. Соответствующая эквивалентная схема приведена на рис.10.3.

Цепь базы транзистора VT1 оказывается замкнутой на землю через малое сопротивление насыщенного транзистора VTм и малое сопротивление насыщенного транзистора - источника входного сигнала . В отличии от схемы ДТЛ, низкоомная цепь в цепи базы закрывающегося транзистора VT1 включена постоянно. Наличие этой цепи повышает быстродействие элемента ТТЛ по сравнению с элементом ДТЛ.

Недостатки схемы ТТЛ с простым инвертором состоят в следующем:

1. Пороговое напряжение открывания транзистора VT1 C учетом этого значения из неравенства (10.2) следует заключение о том, что помехоустойчивость элемента ТТЛ с простым инвертором низка.

2. Рассмотрим режим работы элемента ТТЛ когда на один из входов подан низкий уровень , на остальные (m-1) вход - высокий уровень Эквивалентная схема, соответствующая этому режиму работы, показана на рис.10.4

Переход база-эмиттер МЭТ VTм, на который подано напряжение открыт. По этому входу МЭТ VTм насыщен. Переход база-коллектор транзистора VTм также открыт. Если коэффициент насыщения транзистора VTм близок к единице, то ток Iвх можно приближенно оценить по формуле:

, (10.3)

где - ток базы транзистора VTм. Напряжение на базе транзистора VTм равно:

. (10.4)

В силу выполнения неравенства (10.4) (m-1) переход база-эмиттер транзистора VTм, на которые подано напряжение E1, закрыт. Учитывая то, что переход база-коллектор МЭТ VTм открыт, видим, что по входам, на которые подано Е1 VTм находится в инверсном режиме. Через каждый из этих входов идет ток IвхI, который будем считать одинаковым для всех закрытых переходов транзистора VTм. Суммарный ток закрытых переходов определим из формулы

(10.5)

где BI - коэффициент передачи по току транзистора VTм в инверсном режиме.

Сопоставляя соотношения (10.3) и (10.5) видим, что ток Iвх и ток IвхI оказываются связанными между собой через общий ток базы IRб. Отношение

(10.6)

называется коэффициентом взаимосвязи между входами в элементах ТТЛ. Наличие взаимосвязи между входами есть серьезный недостаток схем ТТЛ по сравнению со схемами ДТЛ. Для уменьшения коэффициента взаимосвязи a необходимо разрабатывать конструкцию МЭТ VTм таким образом, чтобы BI было как можно меньше. Обычно удается достичь значений BI = 0,01…0,05.

Повысить помехоустойчивость элемента ТТЛ с простым инвертором можно путем установки дополнительного диода смещения (рис.10.5). При низком уровне хотя бы на одном из входов транзистор VTм будет по этому входу насыщен. На аноде диода VDсм получим низкий уровень величиной порядка 0,4В, не способный открыть два перехода. Диод VDсм и транзистор окажутся закрыты. Помехоустойчивость схемы повышается. Однако закрывание диода VDсм приводит к разрыву цепи базы транзистора VT1. Теперь, для надежного закрывания транзистора VT1 необходимо установить цепь смещения в виде резистора R1. Кроме того, из-за закрывания диода VDсм низкоомный путь рассасывания заряда из базы открытого транзистора VT1 не образуется. Все преимущества схемы ТТЛ по сравнению со схемой ДТЛ теряются. Кроме того остается недостаток, связанный с применением простого инвертора, а именно - плохая работа на большую емкостную нагрузку и низкий коэффициент разветвления по выходу.

В силу указанных причин схема ТТЛ с простым инвертором нашла ограниченное применение лишь в схемах среднего и большого уровня интеграции. В схемах малого уровня интеграции в основном применяют схему ТТЛ со сложным инвертором.

Cхема ТТЛ со сложным инвертором.

Схема ТТЛ со сложным инвертором (рис.10.6) состоит из многоэмиттерного транзистора VTм на входе и сложного инвертора, построенного на транзисторах VT1, VT2, VT3 и диоде VD1. Как и в схеме ТТЛ с простым инвертором, МЭТ VTм реализует операцию И. Работа и назначения компонентов сложного инвертора рассмотрены в вопросе 3

Схема с повышенной нагрузочной способностью.

В схеме с повышенной нагрузочной способностью ( рис.10.25) в качестве диода смещения использован переход база - эмиттер транзистора . Замена диода транзистором повышает выходной ток схемы, увеличивая, тем самым, ток коллектора транзистора при выключении схемы и повышая скорость перезаряда емкости нагрузки в режиме переключения.

Резистор ограничивает сквозной ток через транзисторы , и . Стоимость схемы с повышенной нагрузочной способностью по сравнению с основной схемой практически не увеличивается, так как диоды в ИС представляют собой транзисторные структуры.

Схемы ТТЛ с повышенным быстродействием.

Модификаций схем ТТЛ, обеспечивающих повышение быстродействия схемы существует довольно большое количество. Рассмотрим лишь некоторые из них.

В схеме рис.10.26 между базой и эмиттером транзистора включен диод , катодом к базе транзистора . При низком уровне напряжения на входе напряжение на базе транзистора положительно и невелико. Диод - закрыт. При высоких уровнях напряжения на всех входах транзистор открыт, напряжение на его базе выше, чем на эмиттере. Диод остается закрытым. Видим, что в любом режиме работы схемы диод находится в закрытом состоянии. Его барьерная емкость играет роль форсирующего конденсатора. В момент переключения схемы в базу транзистора через диод поступает повышенное значение тока , форсирующее процесс переключения . Быстродействие элемента ТТЛ в значительной мере определяется процессами рассасывания избыточного заряда из баз насыщенных транзисторов ,. Замена этих транзисторов транзисторами Шотки позволяет существенно повысить быстродействие схем ТТЛ. Схемы ТТЛ с транзисторами Шотки получили название ТТЛШ. Пример схемы ТТЛШ представлен на рис.10.27.

Реализация операции "И-ИЛИ-НЕ". Операция И-ИЛИ-НЕ одна из самых распространенных при построении цифровых автоматов. Схемы, реализующие операцию И-ИЛИ-НЕ, занимают до 70 % объема всех используемых комбинационных схем. Выполнение в одной микросхеме операции И-ИЛИ-НЕ позволяет снизить стоимость цифрового автомата и повысить его быстродействие.

Операцию "И" получают на МЭТ, что характерно для ТТЛ; операцию ИЛИ - при помощи параллельного соединения транзисторов , образующих фазоинверсный каскад сложного инвертора; операцию НЕ - на сложном инверторе (рис.10.35). Если в качестве транзисторов использовать одноэмиттерные транзисторы, то схема, показанная на рис.10.35, будет выполнять операцию ИЛИ-НЕ.

Схема с пониженным значением входного тока и с уменьшенной связью между входами.

К недостаткам использования МЭТ на входе логического элемента следует отнести наличие связи между входами и повышенное значение входного тока при высоком потенциале на входе. Устранить указанный недостаток можно путем замены МЭТ диодной матрицей. Схема логического элемента И-НЕ с использованием диодной матрицы показана на рис.10.36. Фактически это схема ДТЛШ со сложным инвертором, однако за ней сохранена аббревиатура ТТЛШ.

Рассмотрим назначение компонентов этой схемы. Диоды , называются антизвонными. При положительном напряжении на входе диоды , закрыты и, в первом приближении, не влияют на работу схемы. Если же на вход подано отрицательное напряжение, превышающее по модулю напряжение открывания входов , , то диоды откроются. Напряжение на входе зафиксируется на уровне (-) и вход элемента будет защищен от перегрузки. Малое сопротивление открытых диодов , шунтирует паразитные контуры линий связи, подключенных к входам схемы. Паразитные колебания этих контуров ("звон") затухают.

Баьерные емкости постоянно закрытых диодов играют роль форсирующих конденсаторов и обеспечивают повышенные значения протекающих через эти емкости токов в момент переключения схемы. На диодах и переходе база-эмиттер транзистора реализован входной диодный переключатель тока. Транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя. Замена в переключателе тока диода второй ступени транзистором позволяет повысить коэффициент усиления схемы по току и, тем самым, увеличить нагрузочную способность схемы.

Установка диодов и транзистора вместо резистора цепи смещения в базе транзистора позволяет снизить стоимость схемы. Резистор цепи эмиттера транзистора включен параллельно базе транзистора . Такое включение уменьшает падение напряжения на , что также позволяет снизить номинал его сопротивления и стоимость схемы.