2. Базовый логический элемент ттл. Элемент ттл: схема, статическое состояние, передаточная характеристика.

Базовый элемент ТТЛ (рис. 11.4) содержит многоэмиттерный транзистор Т1, который совместно с резистором R1 выполняет операцию И, и сложный инвертор, представляющий собой последовательно включенные ключ с общим эмиттером (простой инвертор) на Т2 и R2 и эмиттерный повторитель на Т4 с динамической нагрузкой Д и Т3. Резистор R3 обеспечивает цепь для тока рассасывания избыточного заряда из базы Т3 при его запирании. Резистор R4 ограничивает ток транзистора Т4 при перегрузке и при выключении логического элемента, когда Т4 уже открылся, а Т3 ещё не закрыт. Диод Д, как будет показано ниже, обеспечивает закрытое состояние транзистора Т4 при открытом Т3.

Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) отличается от обычных биполярных транзисторов наличием нескольких (обычно четырех) эмиттеров (рис. 11.5), объединенных общей базой. Эмиттеры расположены так, что непосредственное взаимодействие между ними через область базы практически отсутствует. Поэтому многоэмиттерный транзистор можно рассматривать как совокупность нескольких независимых транзисторов с объединенными коллекторами и базами. Но в отличие от такой сборки он занимает меньшую площадь на кристалле и имеет малые паразитные емкости. Кроме того, в инверсном режиме коэффициент передачи тока В_i очень мал (0,05...0,005).

Р ассмотрим работу логического элемента при управлении входными сигналами с выходов аналогичных ЛЭ. Для упрощения анализа и иллюстрирующих оценок основных параметров примем аппроксимацию входных характеристик транзисторов, показанную на рис. 10.4,а, и будем полагать падения напряжения на насыщенном транзисторе ( ) и его переходах ( , ) независимыми от протекающих токов и равными соответственно 0,1 В и 0,7 В.

Если на все входы ЛЭ подано напряжение логического нуля U^о = U_кэн (транзисторы Т3′ задающих ЛЭ насыщены), то ток базы транзистора Т1 протекает через открытые эмиттерные переходы. При этом на его базе . Этого напряжения недостаточно для отпирания двух последовательно соединенных переходов: коллекторного Т1 и эмиттерного Т2. Поэтому транзисторы Т2 и Т3 заперты. Напряжение на коллекторе

Транзистор Т4 и диод Д открыты. На выходе элемента

(11.4)

При = 5В величина U¹ ≈ 3,6 В.

Заметим, что транзистор Т4 работает в активном режиме как эмиттерный повторитель. Активный режим обеспечивает тем, что в штатных установившихся условиях напряжение на коллекторном переходе

в виду малости тока и сопротивления близко к нулю, переход закрыт.

Транзистор Т1 насыщен, так как

(11.5)

Выключенное состояние логического элемента сохраняется, если хотя бы на одном входе действует сигнал U^о. При этом ток базы лишь перераспределяется по входным цепям. При подаче уровня U^о только на один вход в его цепи течет максимальный ток , получивший название входного тока логического нуля.

Если на вое входы подано высокое напряжение (U¹), эмиттерные переходы Т1 закрыты и ток базы течет через коллекторный переход в базу транзистора Т2. Многоэмиттерный транзистор находится в активном инверсном режиме. В эмиттерных цепях протекают входные токи логической единицы , которые суммируясь с током , образует включающий ток базы транзистора Т2:

где т − число задействованных входов ЛЭ. Малое значение инверсного коэффициента передачи тока В_i позволяет исключить влияние числа входов ЛЭ на ток , следовательно на степень насыщения Т2, а также обеспечивает развязку между источниками входных сигналов. Эмиттерный ток транзистора Т2 течет в основном через базу транзистора Т3 и насыщает его. Напряжение на его коллекторе

(0,1 В).

При этом транзистор Т4 закрыт, так как разности

недостаточно для отпирания двух последовательно соединенных переходов: эмиттерного Т4 и диода Д. Следовательно, назначение диода − обеспечить закрытое состояние Т4 при открытом Т3.

Таким образом, при позитивном кодировании ЛЭ выполняет операцию И-НЕ (включается только при подаче на все входы высокого уровня напряжения). Он имеет небольшое выходное сопротивление как в выключенном, так и во включенном состояниях, определяемое соответственно выходным сопротивлением эмиттерного повторителя (Т4) и сопротивлением насыщенного транзистора Т3. Это способствует уменьшению времени перезаряда емкости нагрузки. Повышению быстродействия способствуют также благоприятные условия работы транзисторов. Так, при переключении транзистора Т1 его базовый ток и заряд в базе практически не меняются, что исключает инерционные процессы накопления и рассасывания избыточного заряда. Транзисторы же Т2 и Т3 отпираются и насыщаются большими включающими токами ( ), а на стадии запирания для выключающих токов создаются достаточно низкоомные базовые цепи: для Т2 − насыщенный транзистор Т1, для Т3 − резистор R3 .

Более детальную информацию, необходимую для проектирования различных устройств, дают статические характеристики ЛЭ. Наибольшее распространение получили передаточная и входная характеристики. Для рассматриваемого ЛЭ они имеют вид, показанный на рис. 11.6.

На характеристиках можно выделить три участка. На участке АВ элемент выключен, ВD − работает в усилительном режиме и DF − включен. На участке АВ ( ) напряжение на базе транзистора Т2 меньше отпирающего. Поэтому он закрыт, и напряжение . Входной ток с ростом уменьшается:

На участке ВС ( ) транзистор Т2 работает в активном режиме с коэффициентом передачи напряжения (транзистор Т3 закрыт). С ростом напряжение , следовательно, и уменьшаются. Часть тока базы Т1 ответвляется в базу Т2, поэтому спад круче. На участке CD транзистор Т3 открыт и работает в активном режиме. Крутизна характеристики значительно больше, а сам участок CD узкий (не более 0,1В), так как коэффициент передачи К₂ большой. Последнее объясняется тем, что в цепи эмиттера T2 сопротивление R3 шунтируется небольшим входным сопротивлением открытого транзистора Т3. В точке D транзисторы T2 и Т3 насыщены, и дальнейшее повышение приводит лишь к полному переключению тока базы Т1 в цепь базы Т2 (участок DЕ), увеличивая степень насыщения последнего.

При изменении напряжения источника питания и температуры окружающей среды характеристики дрейфуют, образуя область неопределенности. В этой связи необходимо отметить, что приводимые в справочной литературе электрические параметры ЛЭ соответствуют границам этой области, т.е. худшим условиям применения. На практике, если условия применения заданы, целесообразно оценивать и использовать реальные значения параметров. Например, уровень U¹ считается как , а пороговый − как . Причем, если при комнатной температуре , то при Т = 100°С за счет температурного дрейфа = 0,55...0,6В.

Рассмотрим третий вопрос лекции.