3.2. Цифровые микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ттл)

Интегральные схемы транзисторно-транзисторной логики (ИС ТТЛ) в настоящее время являются распространенными микросхемами, которые используются в качестве элементной базы ЭВМ. Сейчас усилия разработчиков и технологов ИС ТТЛ направлены на расширение функционального состава отдельных серий, усложнение выполняемых функций, улучшение рабочих характеристик ИС. Существуют следующие разно­видности ИС ТТЛ:

• три ранние разновидности микросхем без применения р – n-переходов с барьером Шотки (стандартные или среднего быстродействия – СТТЛ; маломощные – Мм ТТЛ; мощные – МТТЛ);

• две со структурами Шотки – ТТЛШ;

• три новые, перспективные, усовершенствованные ТТЛШ.

В настоящее время в аппаратуре можно встретить все перечисленные варианты микросхем ТТЛ. Напряжение питания у них одинаковое U_ип = 5 В ±10%, а входные и выходные логические уровни совместимы. Микросхемы ТТЛШ имеют улучшенные электрические параметры, но расположение вы­водов на корпусе остается прежним. Полная электрическая и конструктивная совместимость однотипных ИС из разных серий снимает многие проблемы развития и улучшения пара­метров аппаратуры и стимулирует наращивание степени внутренней интеграции вновь выпускаемых микросхем, когда на одном кристалле размещается все большее число функ­циональных узлов.

Для оценки различных серий ИС используется энергия переключения

Э = t_зд.рP_пот,

т е. произведение задержки распространения (в наносекун­дах) на рассеиваемую мощность (в милливатах) для базового логического элемента.

Быстродействие микросхем принято сравнивать по времени задержки распространения сигнала t_зд.р, т. е. по интервалу времени от подачи входного импульса до появления выходного. Энергия, затрачиваемая в элементе ТТЛ, составляет единицы пДж. Основ­ная часть такой экономии получена за счет многократного уменьшения времени t_зд.р, т. е. увеличения быстродействия.

3.2.1. Основы схемотехники элементов ттл

Основную логическую операцию в элементе ТТЛ выполняет многоэмиттерный транзистор (рис. 52). Для удобства рас­смотрения переключения логического элемента ко входу под­ключим управляющий переключатель S1, движок которого может занимать два положения – В и Н, а к выходу подклю­чим резистор R_н. В положении В на вход поступит напряжение высокого уровня, т. е. питающее напряжение U_ип, а в поло­жении Н – напряжение низкого уровня, соответствующее нулю (вход заземляем). Если на вход (рис. 52, а) подано низкое напряжение (переключатель S1 поставлен в положение Н), то появится входной ток низкого уровня I⁰_вх, который будет протекать от источника питания U_и.п = 5 В через резистор R_б, переход база-эмиттер многоэмиттерного транзистора VT1, контакт Н переключателя S1 на корпус. Величина этого тока обратно пропоциональна сопротивлению резистора R_б.

В быстродействующих и экономичных ИС ТТЛ сопротив­ления резисторов R_б отличаются примерно на порядок. Пере­ход база – коллектор транзистора VT1 открыться не может, так как на нем нет избыточного напряжения более чем 0,7 В = U_бэ. Напряжение на выходе близко к нулю U_вых ≈ 0. Таким образом, переход база – эмиттер транзистора VT1 открыт, а пе­реход база – коллектор VT1 закрыт, т. е. многоэмиттерный транзистор VT1 находится в активном режиме, напряжение на выходе равно нулю U_вых ≈ 0. Если число входов транзи­стора VT1 более одного (рис. 52, б) (два из них не присоединены), то величина тока I⁰_вх не изменится. Если все три эмит­тера VT1 соединить вместе, ток I⁰_вх практически не изменится. Следовательно, неиспользуемые входы можно оставлять разомкнутыми. Если заземлен хотя бы один из входов тран­зистора VT1 (рис. 52, б), смена логических уровней на осталь­ных входах не влияет на выходное напряжение U_вых.

Переведем движок переключателя S1 в положение В (рис. 52, в) (подано на вход напряжение высокого уровня), тогда переход база – эмиттер транзистора VT1 будет закрыт, так как напряжение между базой и эмиттером меньше или равно нулю U_БЭ ≤ 0. Оба электрода (база и эмиттер) под­ключены к источнику питания U_и.п = 5 В. Большой ток базы I_Б течет от источника питания U_и.п через резистор R_Б, откры­тый переход база – коллектор, а затем через резистор нагруз­ки R_H к нулевому потенциалу (рис. 52, в). На коллекторе VT1 появляется напряжение высокого уровня:

U¹_вых ≈ U_и.п [R_н /(R_н + R_Б )] .

На вход 1 поступает лишь входной ток утечки высокого уровня I¹_вх, не превышающий при нормальной температуре нескольких наноампер (направление тока I¹_вх показано на рис. 52, в). Таким образом, переход база – эмиттер транзистора VT1 за­крыт, а переход база – коллектор VT1 открыт, т. е. многоэмиттерный транзистор VT1 находится в инверсном активном режиме, напряжение на выходе больше нуля: (U_вых > 0 (имеет высокий уровень).

Рис. 52. Простейшие логические элементы ТТЛ:

а – путь входного тока I⁰_вх; б – токи в транзисторе VT1 при низком входном уровне; в – токи в транзисторе VT1 при высоком, входном уров­не; г – токи в простейшем инверторе при высоком входном уровне

Следовательно, на рис. 52, в приведен одновходовый элемент ТТЛ, реализующий логическую операцию И и не изменяющий фазу входного сигнала. Такой элемент назовем неинвертирующим. В такой схеме активным включающим является напряжение низкого уровня и через переключатель S1 на корпус стекает большой входной ток I⁰_вх (для стандартных элементов ТТЛ, серия K155, ток одного входа I⁰_вх ≈ 1,6 мА).

Для получения инвертирующего логического элемента, реализующего логическую операцию И-НЕ, необходимо к многоэмиттерному транзистору VT1 добавить инвертор, выполненный на транзисторе VT2 (рис. 52, г).

Если на вход I логического элемента поступает напряже­ние высокого уровня (переключатель S1 в положении В), то многоэмиттерный транзистор VT1 находится в инверсном активном режиме, а транзистор VT2 насыщается базовым током I_Б и выходное напряжение, снимаемое с коллектора VT2, будет иметь низкий уровень, что соответствует логическому нулю U⁰_вых (не превышает 0,3 В). Это напряжение явля­ется напряжением насыщения коллектор – эмиттер U_КЭ.нас для кремниевого транзистора VT2.

Если на вход I логического элемента подать напряжение низкого уровня (переключатель S1 в положении Н), то транзистор VT2 практически закрыт, а во входной цепи течет боль­шой ток I⁰_вх. Выходное напряжение, снимаемое с коллектора VT2, близко к напряжению источника питания U_и.п, т. е. имеет высокий уровень, что соответствует логической единице U¹_вых.

Рассмотренный инвертор, выполненный на транзисторе VT2, является простым инвертором. Он используется лишь в микросхемах, выходы у которых имеют открытые коллекторы. Не­достатком простого инвертора является низкая нагрузочная способность в закрытом состоянии (выходное сопротивление определяется сопротивлением резистора, стоящего в коллекторной цепи транзистора VT2).

Для повышения нагрузочной способности логического элемента вместо простого инвертора большинство элементов ТТЛ имеют сложный инвертор (рис. 53, а).

Он состоит из фазоразделительного каскада, выполненного на транзисторе VT2, и двухтактного выходного каскада, состоящего из выходных транзисторов: насыщаемого VT5 и составного эмиттерного повторителя VT3 и VT4. Рассмотрим функционирование логи­ческого элемента со сложным инвертором.

Подадим на вход напряжение низкого уровня, соответствующее логическому нулю (переключатель S1 поставлен в положение Н), тогда многоэмиттерный транзистор VT1 будет находиться в активном режиме (переход база – эмит­тер открыт, а переход база – коллектор закрыт), течет большой ток I⁰_вх во входную цепь, а транзисторы VT2, VT5 закрыты (на рис. 53,б не показаны VT2, VT5), транзисторы VT3 и VT4 будут открыты, т. к. база VT3 через резистор R2 подключена к шине питания U_и.п = 5 В. Поэтому выходное напряжение, снимаемое с нагрузки, расположенной в эмиттерной цепи VT4, будет иметь высокий уровень, что соответствует логической единице U¹_вых.

Статическое выходное напряжение высокого уровня для логического элемента равно: U¹_вых = U_и.п – I_вых R4 – U_КЭ – 2U_БЭ.

Рис 53. Логические элементы ТТЛ со сложным инвертором:

а – схема элемента со сложным инвертором; б – распределение токов и напря­жений при низкой входном уровне; в – распределение токов и напряжений при высоком входном уровне

Так как на транзисторах VT3, VT4 выполнен эмиттерный повторитель, то он не может перейти в состояние насыщения, и напряжение U_КЭ VT4 не уменьшается меньше (0,7…1) В, а напряжение U_БЭ примерно равно 0,7 В для транзисторов без переходов Шотки. Падением напряжения на резисторе R4, ограничивающем ток в выходном каскаде, когда VT4 и VT5 открыты, можно пренебречь. Тогда получаем U¹_вых ≥ 2,6 В

Для транзисторов с переходами Шотки напряжение U_БЭ составляет (0,2...0,3) В. Следовательно, для перспективных элементов ТТЛ напряжение высокого уровня U¹_вых ≈ 3,5 В.

Подадим на вход I напряжение высокого уровня (переклю­чатель S1 поставлен в положение В) (рис. 53, в), соответ­ствующего логической единице, тогда многоэмиттерный тран­зистор VT1 будет находиться в инверсном активном режиме (переход база – эмиттер закрыт, а переход база – коллектор открыт), течет большой ток I_Б в базу транзистора VT2, который откроется. Часть эмиттерного тока транзистора VT2 поступает в базу транзистора VT5, этот транзистор открывается и входит в режим насыщения. Транзисторы VT3, VT4 будут закрыты. Выходной сигнал, снимаемый с открытого и насыщенного транзистора VT5 (r_КЭ ≈ 30...50 Ом), имеет низкий уровень U⁰_вых ≈ 0,3 В, что соответствует логическому нулю.

Диод VD1 предназначен для защиты входа транзистора VT1 от пробоя и называется демпфирующим.