3.4.2. Ттл со сложным выходным каскадом.

Из рассмотрения выходного каскада следует две посылки. Для увеличения нагрузочной способности по единице (I¹_н) и быстродействия (см. формирователь логического сигнала первого типа) необходимо уменьшить Rк, а для увеличения нагрузочной способности по нулю (I⁰_н) – Rк необходимо увеличить (формирователь логического сигнала второго типа). Такое противоречие может устранить сложный выходной каскад.

Схему ТТЛ со сложным выходным каскадом (рис.3.16) можно разделить на следующие части:

1. Входной каскад построен на МЭТ VT1, реализующем функцию И.

2. На транзисторе VT2 построен фазоинвертор, обеспечивающий открытое состояние только одного из транзисторов VT3 и VT4 в установившемся режиме.

3. Выходной каскад построен на транзисторах VT3 и VT4. В статическом режиме один из транзисторов закрыт, а другой открыт. Этим обеспечивается низкое выходное сопротивление как при «0», так и при «1» на выходе, что позволяет быстро перезаряжать емкость нагрузки. Оба транзистора находятся в открытом состоянии только в момент переключения. В этот момент схема потребляемый ток намного больше, чем в установившемся режиме.

4. Диод VD1 служит для обеспечения закрывания VT3 при U⁰_вых.

Проанализируем работу элемента ТТЛ.

Если U_вх= 0 (рис 3.16, а), то переход б-э VT1 будет открыт. Весь ток от Е_П через R1 потечет через эмиттер на вход элемента. Потенциал U_бVT1 будет равен 0.8В ( U_бэнVT1 = 0,8 В). Этого недостаточно для того, чтобы открыть три р-n перехода (б-к VТ1, б-э VТ2, б-э VТ4).

Для того, чтобы открыть эти переходы необходим потенциал, больше 2,2 В (0.6В+ 0,8В+ 0,8 В), поэтому транзисторы VТ2 и VТ4 будут закрыты. При этом на коллекторе VТ2 будет потенциал, близкий к напряжению источника питания (+5В). Его будет достаточно для того, чтобы открыть VТ3 и VD1. Таким образом, в выходном каскаде VТ4 будет закрыт, а VТ3 открыт.

При отсутствии нагрузки, транзистор VТ3 не будет насыщаться. На выходе схемы при этом будет напряжение, равное примерно 3,5В (Е_П-U_бэнVT4-U_VD1=5В-0.8В-0.7В=3.5В).

До значения тока нагрузки I¹_н примерно 5 мА VТ3 будет находиться в активном режиме, так как при этом U_бVT3<U_кVT3, что обеспечивает его быстрое включение и выключение.

При увеличении U_вх потенциал базы VТ1 начнет возрастать (U_бVT1=U_вх+U_бэнVT1), а также повысятся потенциалы баз транзисторов VТ2, VТ3.

При увеличении U_вх до значения, примерно равного 1,2В потенциал базы VТ1 достигнет 2В (U_бVT1 =l.2В+0.8В=2.0В), и транзистор VТ2 начнет открываться. Через VТ2 потечет ток, который вызывает уменьшение потенциала коллектора VТ2, что ведет к закрыванию VТ3 и одновременно к открыванию VТ4. В результате, потенциал на выходе уменьшается.

При U_вх>1.4В (U_бVT1 =U_вх+0.8В>2.2В) транзисторы VТ2 и VТ4 откроются (рис. 3.16,б). При этом потенциал U_кVT2 принимает значение 1В (U_кVT2=U_кэнVT2+U_бэнVT4=0.2В+0.8В=1В). Для открывания VТ3 и VD1 необходим потециал U_бэнVT4+U_VD1=0.8В+0.7В=1.5В, поэтому они будут закрыты. Следовательно, VТ3 будет закрыт, а VТ4 открыт. Транзистор VТ4 насыщен и будет находиться в режиме насыщения до значения тока нагрузки (I⁰_н) примерно 30мА. При I⁰_н=0, напряжение нa выходе будет равно U_кэнVT4=0.2В.

При дальнейшем увеличении U_вх, весь ток от Е_П через R1 потечет в базу VТ2.

Если U_вх начнет уменьшаться, то переключение транзисторов VТ3 и VТ4 будет происходить не одновременно, так как VТ4 был в режиме насыщения. Транзистор VТ3 откроется быстрее, чем закроется VТ4, а из этого следует, что в течение времени рассасывания VТ4 оба выходных транзистора будут открыты. В выходном каскаде потечет ток, ограниченный только R4.

Рис. 3.16. Работа ТТЛ со СВК: а) при “0” на входе, б) при “1” на входе.

Рассмотрим работу СВК на нагрузку первого и второго типа.

При работе СВК на нагрузку первого типа (рис 3.13,а) на выходе должна быть единица. Транзисторы VT2 и VT4 должны быть в отсечке, а транзистор VT3 открыт для обеспечения уровня единицы на выходе.

Для построения графика зависимости U¹_вых=f(I¹_нагр) надо рассчитать активный режим, режим насыщения и границу режимов для транзистора VT3.

При отсутствии нагрузки VT3 находится в активном режиме и работает как эммиттерный повторитель.

(3.9)

Угол наклона нагрузочной характеристики в активном режиме будет определяться как:

Граница режимов определяет, при каком I¹_нагр начинается насыщение(I¹_гр) VT3.

(3.10)

Для серии К155 I¹_{н_гр}5мА

Режим насыщения определяет ток нагрузки, при котором параметры выходного сигнала соответствуют уровню единицы. Уровню единицы минимальному будет соответствовать максимальный ток нагрузки (I¹_{н мах}).

(3.11)

При этом угол наклона нагрузочной характеристики будет определяться как:

На рис 3.17 представлен качественный вид нагрузочной характеристики по единице для ТТЛ со сложным выходным каскадом.

Рис. 3.17. Качественный вид нагрузочной характеристики.

При подключении к выходу СВК нагрузки второго типа, нагружение происходит при U_вых=U⁰ (рис. 3.16,б).

Для обеспечения режима нагружения по нулю необходимо, чтобы выполнялись следующие требования:

1. Транзистор VТ2 должен быть насыщен для надежного запирания VT3.

2. Транзистор VТ4 должен быть насыщен даже при максимальной заданной нагрузке.

Для обеспечения режима насыщения транзистора VT2 необходимо, чтобы:

,

, тогда

(3.12)

Если допустить, что числители примерно равны, то будет получена приближенная оценка соотношения R1 и R2:

Для обеспечения режима насыщения транзистора VT4 необходимо, чтобы:

(3.13)

При нагружении на аналогичные схемы получим следующее значение максимальной нагрузки:

(3.14)

После упрощений можно получить приближенную оценку параметров элементов схемы:

Оценочный итог (3.15)

С ростом _VT2 расширяется диапазон отношений R1 и R2 , что в свою очередь ведет к увеличению нагрузочной способности и к надежному запиранию VТ4

Определим помехоустойчивость по нулю (U_вх=U⁰) (рис. 3.16, а).

(3.16)

Определим помехоустойчивость по единице (U_вх=U¹) (рис. 3.16, б).

(3.17)