5.4.3 Транзисторно-транзисторные логические элементы с диодами Шотки
К настоящему времени разработано большое количество модификаций ЛЭ ТТЛ, связанных с повышением нагрузочной способности, уменьшением задержек распространения сигналов, обеспечением возможности объединения выходов ЛЭ, уменьшением потребляемой мощности, расширением выполняемых функций, увеличением помехоустойчивости и т. п.
В ЛЭ ТТЛ большинство транзисторов (особенно VT2 и VT4) при переключениях вводятся в режим глубокого насыщения, что приводит к увеличению времени задержки (т.е. снижению быстродействия) за счет времени рассасывания неосновных носителей и к завышенной потребляемой мощности. Применение вместо обычных диодов и транзисторов диодов и транзисторов Шотки (ЛЭ ТТЛШ) исключает насыщение транзисторов и позволяет сократить время задержки распространения сигнала до 3…5 нс.
Рисунок 5.13. Элемент ТТЛ с транзисторами Шотки.
Электрическая схема и принцип работы ЛЭ ТТЛШ, приведенного на рис. 5.13, аналогичны ТТЛ-элементу, показанному на рис. 5.12. Инвертор на транзисторе VT7 позволяет перевести ЛЭ в высокоимпедансное состояние при подаче на вход x3 напряжения высокого уровня. При этом транзистор VT7 входит в режим насыщения, а потенциал коллектора VT2 снижается до уровня UК2 = UКЭнас 0,2В, в результате чего транзисторы VT5 и VT3 оказываются запертыми. Транзистор VT4 также будет закрыт, поскольку даже в случае x1 = x2 = U1 коллекторный ток транзистора VT1 будет протекать не через эмиттерный, а через коллекторный переход транзистора VT2 и насыщенный транзистор VT7.
В приведенной схеме только транзистор VT3 формируется без барьера Шотки, т.к. он не работает в режиме насыщения. Это обеспечивается введением в выходной каскад резистора R6, через который отводится часть эмиттерного тока транзистора VT5.
Использование барьера Шотки в многоэмиттерном транзисторе VT1 способствует уменьшению инверсного коэффициента передачи тока базы i и, следовательно, эмиттерных токов МЭТ при его работе в активном инверсном режиме, что приводит к увеличению нагрузочной способности элемента в состоянии «выключено» (Uвых = U1).
Транзисторные логические элементы, связанные эмиттерами (эсл-элементы, элементы с эмиттерными связями).
Цифровые микросхемы эмиттерно–связанной логики (ЭСЛ) имеют наибольшее быстродействие, достигшее к настоящему времени субнаносекундного диапазона. Такое высокое быстродействие достигнуто исключением насыщенного режима работы транзисторов и уменьшением логического перепада. Последнее обстоятельство объясняется тем, что переключение логического элемента сопровождается зарядкой и перезарядкой паразитных емкостей, обусловливающих переходные процессы в схеме. Поэтому снижение логического перепада способствует уменьшению времени переходных процессов.
Основу ЛЭ ЭСЛ составляет токовый переключатель (ТП), выполненный на основе дифференциального усилителя (рис. 5.14а). Управление таким переключателем осуществляется сигналами отрицательной полярности, под действиями которых проводящим ток оказывается либо плечо с транзистором VT1, либо плечо с транзистором VT2. Протекание тока через то или иное плечо определяется уровнем входного напряжения Uвх, подаваемого на базу транзистора VT1, по отношению к уровню опорного напряжения Uоп, подаваемого на базу транзистора VT2 (рис. 5.14б). Определим соотношения между уровнями Uвх и Uоп, при которых происходит переключение тока в цепях дифференциального усилителя.
Приближенное уравнение ВАХ эмиттерного перехода биполярного транзистора определяется уравнением:
Iэ IsеUБЭ/mT – 1 IsеUБЭ/mT,
где: т – температурный потенциал, значение которого при комнатной температуре составляет 26 мВ, m – коэффициент, характеризующий отклонение ВАХ от экспоненциальной зависимости, имеющий значение для различных концентраций примесей от 1,2 до 1,5 ; Is – ток насыщения, определяемый как обратный ток эмиттерного перехода при закороченом переходе база–коллектор.
Рисунок 5.14. Принцип действия элемента ЭСЛ
На основании этого уравнения аналитические зависимости для эмиттерных токов транзисторов VT1 и VT2 будут иметь вид:
Iэ1 Is е UВХ – E1/mT, Iэ2 Is е UОП – E1/mT,
откуда следует:
Uвх – Е1 = mт ln Iэ1/Is и Uоп – Е1 = mт ln Iэ2/Is.
Вычитая второе уравнения из первого, получим:
Uвх – Uоп = mт ln Iэ1/Is – mт ln Iэ2/Is = mт ln Iэ1/Iэ2.
Будем считать, что транзистор ТП закрыт, если его эмиттерный ток не превышает 1% общего тока I0, т.е. IЭзкр = 0,01Iо. При этом ток открытого транзистора будет IЭоткр = 0,99Iо. В таком случае транзистор VT1 будет закрыт, a VT2 – открыт, если
Uвх – Uоп = mт ln 0,01/0,99 = – mт ln 99.
Учитывая, что ln 99 ≈ 4,6 , а при комнатной температуре mт 30 мВ, получим
Uвх – Uоп = –140мВ.
Транзистор VT1 будет открыт, а VT2– закрыт, если Iэ1 =0,99 I0, а Iэ2 = 0,01I0, т.е. при
Uвх – Uоп = mт ln (0,99/0,01) = 140 мВ
Следовательно, переключение тока из коллекторной цепи транзистора VT1 в коллекторную цепь транзистора VT2 и наоборот происходит при изменении входного напряжения по отношению к опорному на ±140 мВ, что соответствует логическому перепаду Uл = 280 мВ.
В базовых схемах ЛЭ ЭСЛ используется опорное напряжение Uoп = – 1,3 В, а уровни логического 0 и 1 соответственно равны U0 = –1,7 B, U1 = –0,9 В.
Транзисторы токового переключателя не входят в режим насыщения, что позволяет максимально использовать их частотные возможности. Небольшой логический перепад Uл = U1 – U0 0,8 В позволяет использовать в качестве RК1 и RК2 резисторы с малыми сопротивлениями, вследствие чего уменьшается время перезарядки нагрузочных емкостей. Благодаря этим факторам элементы ЭСЛ оказываются более быстродействующими по сравнению с ЛЭ ТТЛ и ТТЛШ.