1.2 Ттл логика

Элементы ТТЛ-типа представляют собой один из наиболее распространенных цифровых интегральных схем.

Если на одном из входов элемента ТТЛ-типа (рисунок 1.2.1) дей­ствует «0», то соответствующий ему эмиттерный переход смещен в прямом направлении. Если бы коллекторный переход МЭТ имел обратное смещение, то наличие прямого смешения на одном или нескольких эмиттерных переходах привело бы к возникновению тока в цепи его коллектора. Этого, однако, произойти не может, так как при таких условиях был бы необходим установившийся об­ратный ток базы транзистора Т, который не может быть (в ста­тике) больше . Следовательно, МЭТ оказывается в насыщении при «нулевом» токе коллектора, что обеспечивает надежное запира­ние транзистора Т. Рассасывание заряда, накопленного в насыщен­ном транзисторе Т, обеспечивается большим током коллектора МЭТ, когда последний работает в нормальном активном режиме.

Рисунок 1.2.1 – Простейшая схема элемента ТТЛ-типа

Схема, показанная на рисунке 1.2.1, не нашла широкого применения. Наибольшее распростране­ние получили схемы элементов ТТЛ-типа со сложным инвертором, одна из которых приведена на рисунке 1.2.2. Она содержит следующие две основные части: входную, реализующую функцию И и состоя­щую из резистора и МЭТ; сложный инвертор, состоящий из фазоразделительного каскада (резисторы , и транзистор ) из выходного усилителя (резистор , диод Д и транзисторы Т₂, Т₃).

Рисунок 1.2.2 – Схема ТТЛ-элемента со сложным инвертором

Рассмотрим назначение компонентов схемы. Входная часть ( и МЭТ) заменяет диодно-резисторную схему совпадения и один из Диодов смещения в схеме элемента ДТЛ-типа. Количество входов у элемента ТТЛ-типа, не ограничивается статическими параметрами и характеристиками и в принципе может быть очень большим. Однако у большинства реальных схем . Это связано с ухуд­шением динамических параметров элемента при увеличении количества логических входов. Компоненты , Т₂ и Д образуют эмиттерный повторитель, который обеспечивает уровень «1» при значительных токах, вытекающих из схемы. В зависимости от зна­чений последних транзистор Т₂ может работать либо в активном режиме, либо в режиме насыщения. В большинстве реальных циф­ровых схем транзистор Т₂ работает в активном режиме при неболь­ших токах нагрузки.

Резистор является защитным и предохраняет элемент от по­ломки при случайном замыкании выхода закрытого элемента на землю, а, кроме того, резистор ограничивает ток в цепи коллек­тора транзистора Т₂ при переключениях элемента.

Резистор обеспечивает надежное запирание транзистора . Когда на всех входах действуют уровни «1», транзисторы и работают в насыщенном режиме, причем транзистор способен принять значительный ток нагрузки, втекающий в схему, без выхо­да из режима насыщения (в статике).

Диод Д обеспечивает надежное закрытое состояние транзистора в открытом элементе.

Выводы К и Э схемы, показанной на рисунке 1.2.2, служат для подключения логического расширителя.

Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) - специфический компонент элементов ТТЛ-типа, являющийся функциональным прибором, так как заменяет собой диодную сборку элементов ДТЛ-типа и не имеет аналогов среди дискретных полупроводниковых приборов.

В настоящее время разра­ботано большое количество модификаций элементов ТТЛ-типа. Модификация, как правило, преследует одну или несколь­ко целей, среди которых можно выделить увеличение нагрузочной способности; уменьшение задержек распространения сигналов; уве­личение уровней токов нагрузки, при которых транзистор еще работает в активном режиме (в закрытом элементе); создание воз­можности объединения выходов элементов со сложным инвертором; уменьшение мощности потребления элементов ТТЛ-типа (как пра­вило, эта задача решается просто увеличением номиналов резисто­ров); получение специальных элементов (например. И, индикации, И-ИЛИ-НЕ и т. д.); увеличение порогового напряжения и ло­гического перепада и т. п.

На рисунке 1.2.3 показано несколько схем модифицированных эле­ментов ТТЛ-типа. Схема, представленная на рисунке 1.2.3, а обладает повышенной нагрузочной способностью. Благодаря усилению тока в транзисторе выходное напряжение закрытой схемы меньше зависит от тока нагрузки.

Схемы со сложным инвертором в отличие от схем с простыми ин­верторами нельзя объединять по выходам для реализации монтаж­ного И. Это объясняется двумя основными причинами: во-пер­вых, элементы могут потреблять чрезмерно большой ток от источ­ника питания, когда один элемент закрыт, а другой - открыт; во-вторых, в этом случае уровень сигнала становится логически неопределенным. Тем не менее, такое объединение в ряде случаев не­обходимо, например, при разработке двунаправленных информа­ционных шин или магистральных устройств. Для этих целей раз­работаны различные варианты элементов ТТЛ-типа с тремя выходными состояниями: два состояния - это обычные уровни и , а третье состояние обеспечивает режим с «бесконечно боль­шим» выходным сопротивлением, в котором элемент полностью отключается от нагрузки, т. е. не потребляет и не отдает ток (рисунок 1.2.3, б). В этой схеме дополнительно включены транзистор и ре­зистор R₅. При подаче на управляющий вход Z напряжения транзистор закрыт и схема работает, как обычный элемент. При наличии на управляющем входе напряжения транзистор насыщается и обеспечивает закрытое состояние транзисторов и . Это третье состояние не зависит от наличия каких-либо ком­бинаций информационных сигналов на логических входах. Такие схемы можно объединять по выходам на одну общую нагрузку, причем в любой момент времени нагрузка должна обслуживаться любым элементом, а остальные элементы должны находиться в третьем состоянии.

а) б)

в) г)

Рисунок 1.2.3 – Варианты схем модифицированных элементов ТТЛ типа:

а) схема с повышенной нагрузочной способностью;

б) схема с тремя состояниями выхода; в) схема элемента И;

г) схема с повышенным значением порогового напряжения и логического перепада

Если необходимо реализовать логическую операцию. И, можно использовать два последовательно соединенных элемента И-НЕ, однако это увеличивает количество корпусов и вносит дополни­тельные задержки в схеме. Чтобы избежать этого, целесообразно использовать неинвертирующие элементы (рисунок 1.2.3, в). В этой схе­ме фактически выполняется логическая операция И-НЕ-НЕ, причем первый инвертор содержит два транзистора, чтобы сохра­нить пороговое напряжение таким же, как и у обычных элементов типа И-НЕ.

В качестве примера схемы, имеющей повышенное значение по­рогового напряжения и логического перепада, можно привести схе­му, показанную на рисунке 1.2.3, г. Достоинство этой схе­мы - почти идеальная симметрия уровней U⁰ и U¹ относительно уровня , однако при этом источник питания должен быть весьма стабильным и с малым отклонением от номинальной величины =5 В.

Важное преимущество элементов ТТЛ-типа в том, что они яв­ляются схемотехнической базой не только простых логических эле­ментов, но также элементной базой схем средней и большой ин­теграции [1].