Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

площадь на подложке (напомним: диоды - это транзисторы в диодном включении).

15.5. ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика)

Схема ТТЛ с простым инвертором показана на рис.15.6: Сравнение рис.15.5 и 15.6 показывает, что ТТЛ принципиально не отличается от ДТЛ. В качестве входных диодов используются эмиттерные переходы, а роль диода смещения выполняет коллекторный переход многоэмиттерного транзистора. Транзистор Т1 так же, как в схеме ДТЛ, является инвертором.

рис.15.6

Схема выполняет логическую операцию И-НЕ (см. табл. 15.2). В отличие от ДТЛ вместо двух диодов смещения используется только один коллекторный переход, поэтому в закрытом состоянии транзистора Т1 на его базе будет не отрицательный, а нулевой потенциал, что незначительно снижает помехоустойчивость. В реальных схемах вместо Т1 применяется сложный инвертор, компенсирующий этот недостаток. Иногда в сложном инверторе используют транзисторы с диодом Шоттки, что заметно повышает быстродействие. Такие схемы сокращенно называют ТТЛШ.

Многоэмиттерный транзистор занимает гораздо меньшую площадь, чем соответствующее количество диодов. Нагрузочная способность п > 10, время задержки t3 = 3... 10 нc. Схемы ТТЛ и ТТЛШ широко используются в микроэлектронике. В качестве примеров можно назвать отечественные серии К155 (ТТЛ) и К555 (ТТЛШ) и соответствующие зарубежные аналоги 8И74 и 8И74Ь5.

15.6. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

Принципиальная схема показана на рис.15.7. Транзистор Т3 совместно с любым из входных транзисторов образуют переключатель тока. Схема переключателя тока аналогична схеме дифференциального усилителя, но на базу Т3 подано постоянное напряжение смещения U0, при котором Т3 открыт и находится в активном режиме.

рис. 15.7

Ток коллекторав активном режиме равен

т.е. сильно зависит от напряжения Uбэ. Если на базе Т1 (или Т2) напряжение Uбэ = U0, ток, текущий через Rо, распределяется поровну между Т1 и Т3.

Если же напряжение на базе входного транзистора немного (на 0,1...0,15 В) выше или ниже U0, весь ток переключается соответственно в Т1 (Т2) или в Т3.

Потенциалы точек А и В при этом всегда противофазны. Эмиттерные повторители на транзисторах Т4 и Т5 обеспечивают согласование входных и выходных уровней последующего и предыдущего логических элементов.

Напомним, что на открытом эмиттерном переходе падение напряжения U* = 0,6 В (при Т = 300°К).

Если Т1 и Т2 закрыты, напряжение UА Е и на выходе

эмиттерного повторителя Т5 уровень логической единицы

U1 = Е - U* .

Полагая, что на коллекторе открытого транзистора напря-

жение Uк =Uбэ = U* (граница между активным режимом и насыщением), найдем уровень логического нуля: IИ

U0 U1 U* E 2U* .

Размах логического сигнала равен U U1 U0 0,7В. Поскольку транзисторы работают в активном режиме, схемы ЭСЛ обеспечивают малое время задержки t3

=0,7...З нс.

Как видно из схемы, на одном из выходов выполняется логическая операция ИЛИ, а на другом - ИЛИ-НЕ

(табл.15.3).

Обычно в схемах ЭСЛ заземляется плюс источника питания.

табл.15.3

15.7. Логические элементы с инжекционным питанием (И2Л)

Транзисторные логические элементы с инжекционным питанием (ТЛИП) называют также инжекционной интегральной логикой, откуда и возникло нелепое, но общепринятое сокращение И2 Л.

Элементы ТЛИП в дискретном исполнении неизвестны, весьма специфичная схемотехника и технология ТЛИП реализуются в больших интегральных схемах (БИС). Принцип работы ТЛИП поясняется рис. 15.8.

рис.15.8

Транзисторы Т0 и Т2 - это простейший клапан (инвертор) с инжекционным питанием, а Т1 и Т3 относятся к предыдущей и последующей схемам. Транзистор Т0 с проводимо-

стью р-п-р выполняет роль генератора тока, питающего цепь базы п-р-п-транзистора Т2. Ток Iи создается инжекцией дырок из эмиттера р-п-р-транзистора, поэтому называется током инжекции, а сам эмиттер называют инжектором.

Питание схемы через инжектор (т.е. без резисторов в цепи питания) позволяет существенно уменьшить напряжение питания.

Из рис. 15.8 видно, что напряжение питания равно падению напряжения на инжекторном переходе E U* 0,6В . По некоторым причинам в реальных схемах Е = 1... 1,5 В. Пусть на входе (на базе Т2) низкий потенциал (Т1 открыт). Тогда ток коллектора транзистора Т0, равный IИ , замыкается через Т1 и не течет в базу Т2.

Транзистор Т2 закрыт и на выходе инвертора (на базе Т3) будет высокий потенциал, т.е. выполняется логическая операция НЕ (табл.15.4):

Обычно параллельно соединяются несколько инверторов, тогда реализуется логическая операция ИЛИ-НЕ.

В схеме рис. 15.8 базы всех р-п-р-транзисторов заземлены, а эмиттеры подключены к шине +Е, поэтому в реальной схеме ТЛИП вместо нескольких р-п-р-транзисторов используют один многоколлекторный р-п-р-транзистор.

Для развязки выходов, подключаемых к отдельным нагрузкам, п-р-п-транзисторы тоже делают многоколлекторными. В результате схема приобретает вид рис.15.9.

рис. 15.9

Каждый из коллекторных токов р-п-р -транзистора равен:

I* Iи Iи n n

Конструктивно-технологическое своеобразие ТЛИП состоит в высокой степени интеграции.

Это достигается тем, что примыкающая к подложке п- область выполняет роль и базы р-n -р-транзистора и эмиттеров всех п-р-п-транзисторов; базой п-р-п- и коллектором р- n -р- транзисторов является общая р-область.

Разрез структуры ТЛИП показан на рис.15.10. Достоинствами ТЛИП являются: низкое напряжение питания; малая потребляемая мощность; высокая плотность упаковки; не нужны диэлектрические карманы и разделительная диффузия.

рис. 15.10

15.8. Логические элементы на полевых транзисторах

Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов.

Ваналоговых ключах обычно используют транзисторы

суправляющим р-n -переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом.

Вцифровых ключах обычно используют МДПтранзисторы с индуцированным каналом. В последнее время полевые транзисторы все чаще используют в силовой импульсной электронике.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Однако минимальное сопротивление включенного ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой круто поднимающейся характеристики полевого транзистора может быть меньше, чем наклон соответствующей характеристики биполярного транзистора). Поэтому при значительном токе падение напряжения на полевом тран-

зисторе может быть больше, чем падение напряжения на биполярном транзисторе.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения.

Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления.

Ключи на полевых транзисторах часто менее быстродействующие в сравнении с ключами на биполярных транзисторах.

15.8.1. Ключ на МДП-транзисторах с динамической нагрузкой

Ключ на МДП-транзисторах можно выполнить с резистивной нагрузкой, подобно ключу на биполярных транзисторах, но технологически целесообразнее применять так называемую динамическую нагрузку. Схема ключа показана на рис.15.11а).

а) б)

рис.15.11

В качестве сопротивления нагрузки используется нагрузочный МДП-транзистор, затвор которого соединяется с истоком, т.е. UЗИ 2 UСИ 2 .

Из рис. 15.11 б) видно, что точки, соответствующие равным напряжениям стока и затвора, образуют линию, которая является вольтамперной характеристикой нагрузочного транзистора.

На рис. 15.12 показано, как нанести линию нагрузки на семейство стоковых характеристик активного транзистора Т1.

рис. 15.12

Нагрузочный транзистор Т2 работает на пологом участке стоковой характеристики, поэтому его вольтамперную характеристику запишем в виде:

Ic 0,5b(Uси2 Uo2)2

где b - удельная крутизна транзистора, Uo2 - напряжение отсечки нагрузочного транзистора.

Если на входе низкий уровень Uзи Uо1, то нижний транзистор закрыт и ток стока равен нулю.

Тогда на выходе ключа будет максимальное напряжение:

Uвыхмах Uси1 Е Uо2

Если на вход подан высокий уровень напряжения Uзи1 Uо1, то Т1 открыт, его сопротивление мало и все напряжение питания падает на верхнем транзисторе.

Ток стока насыщения:

Iси 0,5b(E Uо2)2

Выходное напряжение при этом будет минимальным (остаточное напряжение).

При обычных значениях параметров транзисторов остаточное напряжение составляет 50...150 мВ.

При последовательном соединении нескольких активных транзисторов получим логический элемент И-НЕ (рис. 15.13 а).

Параллельное соединение активных транзисторов позволяет выполнить логическую операцию ИЛИ-НЕ (рис. 15.13 б).

Наиболее часто используют логические схемы на МДПтранзисторах с индуцированным n-каналом.

Поскольку входной ток МДП-транзистора практически равен нулю, логические уровни не зависят от нагрузки. Нагрузочная способность ограничивается только влиянием емкостей затвор-исток, т.е. уменьшением быстродействия.