Стандартные серии ттл

Базовым логическим элементом серий является логический элемент И-НЕ. На рис. 2.3 приведены схемы трех первоначальных элементов И-НЕ ТТЛ. Все схемы содержат три основных каскада: входной на транзисторе VT1, реализующий логическую функцию И; фазоразделительный на транзисторе VT2 и двухтактный выходной каскад.

  Рис 2.3.a. Принципиальная схема базового элемента серии К131

Принцип работы логического элемента серии К131 (рис. 2.3.а) следующий: при поступлении на любой из входов сигнала низкого уровня (0 – 0,4В), базо-эмиттерный переход многоэмиттерного транзистора VT1 смещается в прямом направлении (отпирается), и практически весь ток, протекающий через резистор R1, ответвляется на "землю", вследствие чего VT2 закрывается и работает в режиме отсечки. Ток, протекающий через резистор R2, насыщает базу транзистора VT3. Транзисторы VT3 и VT4 подключенные согласно схеме Дарлингтона, образуют составной транзистор, который представляет собой эмиттерный повторитель. Он выполняет функцию выходного каскада для усиления мощности сигнала. На выходе схемы образуется сигнал высокого логического уровня.

В случае, если на все входы подаётся сигнал высокого уровня, базо-эмиттерный переход многоэмиттерного транзистора VT1 находится в закрытом режиме. Ток, протекающий, через резистор R1 насыщает базу транзистора VT1, вследствие чего, отпирается транзистор VT5 и на выходе схемы устанавливается уровень логического нуля.

Поскольку в момент переключения транзисторы VT4 и VT5 открыты и через них протекает большой ток, в схему введён ограничительный резистор R5.

VT2, R2 и R3 образуют фазоразделительный каскад. Он необходим для поочередного включения выходных n-p-n транзисторов. Каскад имеет два выхода: коллекторный и эмиттерный, сигналы на которых противофазны.

Диоды VD1 - VD3 являются защитой от отрицательных импульсов.

  Рис 2.3.б, в. Принципиальные схемы базовых элементов серий К155 и K134

В микросхемах серий К155 и К134 выходной каскад построен на повторителе не составном (только транзистор VT3) и насыщаемом транзисторе VT5 с введением диода сдвига уровня VD4 (рис. 2.3,б, в). Два последних каскада образуют сложный инвертор, реализующий логическую операцию НЕ. Если ввести два фазоразделительных каскада, то реализуется функция ИЛИ-НЕ.

На рис. 2.3, а показан базовый логический элемент серии К131 (зарубежный аналог - 74Н). Базовый элемент серии К155 (зарубежный аналог - 74) показан на рис. 2.3, б, а на рис. 2.3, в - элемент серии К134 (зарубежный аналог - 74L). Сейчас эти серии практически не развиваются.

Микросхемы ТТЛ первоначальной разработки стали активно заменяться на микросхемы ТТЛШ, имеющие во внутренней структуре переходы с барьером Шотки. В основе транзистора с переходом Шотки (транзистора Шотки) лежит известная схема ненасыщенного транзисторного ключа (рис. 2.4.а).

  Рис 2.4. Пояснение принципа получения структуры с переходом Шотки: a - ненасыщенный транзисторный ключ; б - транзистор с диодом Шотки; в - символ транзистора Шотки.

Чтобы транзистор не входил в насыщение, между коллектором и базой включают диод. Применение диода обратной связи для устранения насыщения транзистора впервые предложено Б. Н. Кононовым [2, 6] Однако в этом случае   может увеличиться до 1 В. Идеальным диодом является диод с барьером Шотки. Он представляет собой контакт, образованный между металлом и слегка легированным n-полупроводником. В металле только часть электронов являются свободными (те, что находятся вне зоны валентности). В полупроводнике свободные электроны существуют на границе проводимости, созданной добавлением атомов примеси. При отсутствии напряжения смещения число электронов, пересекающих барьер с обеих сторон, одинаково, т. е. ток отсутствует. При прямом смещении электроны обладают энергией для пересечения потенциального барьера и прохождения в металл. С увеличением напряжения смещения ширина барьера уменьшается и прямой ток быстро возрастает.

При обратном смещении электронам в полупроводнике требуется больше энергии для преодоления потенциального барьера. Для электронов в металле потенциальный барьер не зависит от напряжения смещения, поэтому протекает небольшой обратный ток, который практически остается постоянным до наступления лавинного пробоя.

Ток в диодах Шотки определяется основными носителями поэтому он больше при одном и том же прямом смещении а, следовательно, прямое падение напряжения на диоде Шотки меньше, чем на обычном p-n переходе при данном токе. Таким образом, диод Шотки имеет пороговое напряжение открывания порядка (0,2-0,3) В в отличие от порогового напряжения обычного кремниевого диода 0,7 В и значительно снижает время жизни неосновных носителей в полупроводнике.

В схеме рис. 2.4, б транзистор VT1 удерживается от перехода в насыщение диодом Шатки с низким порогом открывания (0.2...0.3) В, поэтому напряжение   повысится мало по сравнению с насыщенным транзисторомVT1. На рис. 2.4, в показана схема с «транзистором Шотки». На основе транзисторов Шотки выпущены микросхемы двух основных серии ТТЛШ (рис. 2.5)

На рис. 2.5, а показана схема быстродействующего логического элемента, применяемого как основа микросхем серии К531 (зарубежный аналог - 74S), (S - начальная буква фамилии немецкого физика Шотки (Schottky)). В этом элементе в эмиттерную цепь фазоразделительного каскада, выполненного на транзисторе VT2, включен генератор тока - транзистор VT6 с резисторами R4 и R5. Это позволяет повысить быстродействие логического элемента. В остальном данный логический элемент аналогичен базовому элементу серии К131. Однако введение транзисторов Шотки позволило уменьшить tзд.р вдвое.

На рис. 2.5, б показана схема базового .логического элемента серии К555 (зарубежный аналог - 74LS) . В этой схеме вместо многоэмиттерного транзистора на входе использована матрица диодов Шотки. Введение диодов Шатки исключает накопление лишних базовых зарядов, увеличивающих время выключения транзистора, и обеспечивает стабильность времени переключения в диапазоне температур.

Резистор R6 верхнего плеча выходного каскада создает необходимое напряжение на базе транзистора VT3 для его открывания. Для уменьшения потребляемой мощности, когда логический элемент закрыт ( ) , резистор R6подключе не к общей шине, а к выходу элемента.

Диод VD7, включенный последовательно с R6 и параллельно резистору коллекторной нагрузки фазоразделительного каскада R2, позволяет уменьшить задержку включения схемы за счет использования части энергии, запасенной в емкости нагрузки, для увеличения тока коллектора транзистора VT1 в переходном режиме.

Транзистор VT3 реализуется без диодов Шoтки, т. к, он работает в активном режиме (эмиттерный повторитель).