книги из ГПНТБ / Скарлетт, Дж. Транзисторно-транзисторные логические интегральные схемы и их применение

Количество элементов в такой схеме ИЛИ ограничено величиной тока утечки каждого из фазоразделительных транзисторов. При большом их количестве суммарный ток утечки может вызвать такое возрастание напряжения в точке Е, при котором выходной транзи­ стор будет находиться на грани отпирания.

Ф и г . 3.3. Вентиль с встроенной функцией «ИЛИ».

3 .1 .3 . в ы х о д н о й к а с к а д

Основным транзистором выходного каскада является транзистор Т ъ. В том случае когда на все входы вентиля подано высокое напря­ жение, транзисторы Т 2и Т ьоткрыты. Как было указано в разд. 3.1.2, в этом случае напряжение в точке С будет равно VВЕ5+ К СвНас2 - Если исключить транзистор Т ъ и рассматривать только цепь, содер­ жащую диод D3 и транзистор Т 4, то напряжение в точке S (фиг. 3.3) будет ниже напряжения в точке С на величину VD3-\-VBEi- Напря­ жение VBEi будет меньше напряжения VBEb, однако напряжение Удз будет значительно больше напряжения VCEmc2, поэтому напря­ жение в точке S будет немного ниже нуля. Так как исключать из рас­ смотрения транзистор Т ъ нельзя, то выходное напряжение вентиля при высоких напряжениях на всех входах будет равно УСЕпзсъ-

Если хотя бы на один из входов вентиля подано низкое напря­ жение, то транзисторы Т2 и Т ъ закрыты. Через резистор / ? 2 течет только ток утечки транзистора Г 2, поэтому напряжение в точке С очень близко к напряжению VCc вентиля, а потенциал в точке S будет ниже потенциала точки С на величину VD3+ V BEi- Падением напряжения на резисторе R 2от базового тока транзистора Т 4 можно пренебречь. Таким образом, при наличии хотя бы на одном из входов вентиля низкого напряжения выходное напряжение вентиля ниже напряжения питания на падение напряжения на двух р— переходах. В различных сериях ТТЛ ИС используются разные схемы выходных каскадов, однако всегда между шиной VCc и выходом S имеются два последовательно включенных р—n-перехода. Резистор

R i в выходном каскаде служит для ограничения тока выходного каскада при заземленном выходе.

Так как в базовом ТТЛ-вентиле низкое выходное напряжение появляется при подаче на все входы высокого напряжения, то он выполняет операцию И—НЕ для положительной логики, т. е.

5 = А В или 5 = А -В = А + В.

Вентиль с встроенной функцией ИЛИ, показанный на фиг. 3.3, представляет собой схему И—ИЛИ—НЕ, выполняющую следующую операцию:

S = А-В-С + D - E - F + G- H- J или S = А - В - С + D - E - F + G - H - J .

3,1.4. ЕМКОСТИ И П А РА ЗИ Т Н Ы Е ДИ О ДЫ

Для большинства практических целей базовый ТТЛ-вентиль можно представить в виде упрощенной схемы, показанной на фиг. 3.1, однако на самом деле его схема значительно сложнее. Каждый из выводов ИС обладает емкостью по отношению к выводу земли и пи­ тания Vcci а отдельные участки схемы имеют паразитные емкости по отношению к земле и к другим участкам ИС. Так как вся ИС изготавливается с помощью процессов диффузии на общей кремние­ вой подложке, то коллекторная область каждого из транзисторов образует по отношению к подложке обратно смещенный диод. С каж­ дым из диффузионных резисторов связан аналогичный обратно сме­ щенный диод, распределенный по длине резистора. Потребителю ТТЛ ИС нет необходимости знакомиться со всеми возможными па­ разитными эффектами, однако знание некоторых наиболее сущест­ венных паразитных компонентов облегчит ему понимание работы схемы. Основные паразитные емкости и паразитные диоды показаны на фиг. 3.4; паразитные диоды, относящиеся к резисторам, показаны в виде сосредоточенных диодов у одного из выводов резистора. В тех местах, где паразитный диод резистора оказывается включенным параллельно паразитному диоду в коллекторной цепи транзистора, на схеме показан только один диод.

Наиболее заметное влияние на внешние характеристики ТТЛ ИС оказывают диоды D 4 и Ds, которые ограничивают отрицательные выбросы напряжения во входных и выходных цепях схем.

Показанные на фиг. 3.4 паразитные емкости одинаково влияют на внешние характеристики ИС. Эффективная емкость С 8 между выводом VCc и землей была измерена на нескольких сотнях ИС: ее значение составило около 64 пФ на корпус. Так как эта емкость включена параллельно емкостям между входом и землей и входом и шиной Vсс. то определить независимо величину каждой из двух входных емкостей невозможно. Совокупное влияние паразитных емкостей на входе схемы можно представить в виде одной емкости величиной около 2,7 пФ, включенной между входом и землей (вели­

чина емкости усреднена по результатам ряда измерений). Вероятно, главная составляющая этой емкости представляет собой емкость входного транзистора относительно земли. Что касается выходной емкости, то измерения показали, что емкости С6 и С 7 почти одина­ ковы и равны примерно 3,5 пФ каждая, а полная эффективная ем-

Ф и г. 3.4. Паразитные емкости и диоды в ТТЛ-вентиле.

кость относительно земли составляет 7 пФ. Емкость между входами С5 снижается до минимума при конструировании входных транзи­ сторов.

3.2. Различия базовых вентилей в разных сериях ТТЛ ИС

«

В этом разделе не ставится цель составить подробный каталог поставщиков ТТЛ ИС. В основном здесь упоминаются только те фирмы, с которыми автору приходилось вести какие-либо дела. Единственным смыслом выбранного порядка перечисления различ­ ных серий является то, что этот порядок примерно соответствует той последовательности, в которой автор работал с этими сериями или знакомился с ними.

Всюду, где на схемах проставлены сопротивления резисторов, они взяты из справочных листков или из информации, представлен­ ной на технических конференциях или фирменных выставках. В не­ которых случаях имеющаяся информация противоречива и в ней могут содержаться мелкие ошибки. Так как диффузионные резисторы имеют очень широкие допуски на величину сопротивления, а данные по ряду описанных в литературе схем хорошо соответствуют топо­ логиям их кристаллов, то считается, что любые подобные ошибки не имеют практического значения. Вследствие больших допусков на сопротивления резисторов все приведенные в данном разделе величины токов можно рассматривать лишь в качестве типовых спра­ вочных данных и ни в коем случае нельзя использовать для прове­

44 Глава 3

дения сколько-нибудь удовлетворительных конструкторских рас­ четов.

В данном разделе не объясняются значения или принципы работы схем, имеющих специфические особенности. Это делается в соответ­ ствующих разделах других глав.

На входах некоторых из показанных схем изображены «ограни­ чительные» (overswing) диоды (разд. 4.1). Наличие (или отсутствие) этих диодов в электрических схемах ИС конкретных серий не озна­ чает еще их наличия (или отсутствия) в ИС, выпускаемых всеми другими изготовителями данной серии. Вполне возможно, что к мо­ менту выхода этой книги в свет некоторые изготовители, не приме­ нявшие эти диоды в период написания книги, изменили фотошаблоны и включили диоды в состав своих ИС.

Всюду в данной книге для одинаково включенных компонентов в схеме базового вентиля использованы одинаковые обозначения. Следовательно, во всех схемах транзистор Т 2 представляет собой фазоразделительный транзистор, транзистор Т 4 — верхний транзи­ стор выходного каскада и т. д. Это означает, что в некоторых схемах нумерация компонентов может идти не подряд.

Большинство поставщиков выпускают военные ИС с рабочим температурным диапазоном от —55 до +125 °С и промышленные или коммерческие ИС с рабочим диапазоном от 0 до 70 °С. В некото­ рых случаях характеристики ИС для этих диапазонов различны, в то время как сами схемы полностью одинаковы.

3.2.1.ВЕН ТИ ЛЬ СЕРИИ SUHL1

Схемы серии SUHL1 (Sylvania Universal High Level Logic)

представляют собой ТТЛ ИС с быстродействием 20 нс, выпускаемые фирмой Sylvania, которая является филиалом фирмы General Tele­ phone and Electronics. Схемы выпускаются с нагрузочной способно­ стью 6 или 12 (разд. 9.3) и средним уровнем потребляемой мощности (номинальное значение которой равно 15 мВт на вентиль).

Вентиль SUHL1 является именно той схемой, которая была ис­ пользована в качестве примера «базового ТТЛ-вентиля» (фиг. 3.1). Номинальные сопротивления резисторов этой схемы приведены на фиг. 3.5. Величина сопротивления R t определена не совсем точно и может в схемах разных поставщиков колебаться в пределах от 125 до 150 Ом. В число аналогичных ИС, имеющих такую же элект­ рическую схему, входят вентили MTTL 1 фирмы Motorola Semi­ conductor Products, RAY 1 фирмы Raytheon и HLTTL 1 фирмы Transitron Electronic. Фирмы Philco-Ford и Westinghouse также выпускают номинально аналогичные ИС, но автору эти схемы не известны.

- Серии MTTL 1 и RAY 1 являются точными копиями серии SUHL 1 (по характеристикам, номенклатуре схем и разводке выводов кор­

пусов), тогда как серия HLTTL 1 имеет отличия в характеристиках и номенклатуре схем. Схемы серий HLTTL и SUHL можно считать полностью совместимыми, и единственным различием их характери­ стик является небольшое снижение допустимой нагрузочной спо­ собности схем HLTTL при проектировании систем с расчетом на наихудшее сочетание разбросов параметров.

Фи г . 3.5. Базовый вентиль серии SUHL1.

Имеются более быстродействующие модификации серии SUHL (подразд. 3.2.4 и т. д.), и они могут использоваться совместно со схемами SUHL 1 или вместо них (при условии, что печатные платы, на которых эти ИС монтируются, сконструированы так, что все проблемы перекрестных наводок и паразитных колебаний, связан­ ных с применением более быстродействующих ИС, решены).

На фиг. 3.6 приведены номинальные значения токов и напряже­ ний в вентиле SUHL1 в выключенном состоянии. Один из входов

46 Глава 3

схемы показан присоединенным к включенному вентилю с выходным напряжением 0,2 В, а к выходу рассматриваемой схемы подключен один из входов следующего вентиля. Величина входного тока утечки нагрузочного вентиля принята равной ее максимальному паспортно­ му значению. Напряжение питания принято равным 5,0 В, а все падения напряжения база — эмиттер равными 0,7 В каждое. Нор­ мальные токи утечки транзисторов считаются пренебрежимо ма­

а точная величина выходного напряжения зависит от величины тока, текущего через резистор R 2■ Номинальный ток, потребляемый вен­ тилем от источника питания в выключенном состоянии, равен 1 , 1 2 мА, но с ростом величины вытекающего из выходной цепи тока он возрастает. Этот ток несколько возрастает и в случае подключения входа не к шине с напряжением 0,2 В, а непосредственно к земле.

Режим схемы во включенном состоянии при аналогичных допуще­ ниях показан на.фиг. 3.7. В этом режиме номинальный ток питания составляет 4,7 мА, а управляющий базовый ток транзистора Т 5 4,1 мА. Очевидно, что такой ток гарантирует насыщение транзистора Т ъ при нагрузке, соответствующей предельной паспортной нагру­ зочной способности. Величина потребляемого от источника питания тока во включенном состоянии не зависит от нагрузки на выходе ИС.

3.2.2.ВЕНТИЛЬ СЕРИИ 54/74

Серия 54/74 ТТЛ ИС (фиг. 3.8) была впервые выпущена фирмой Texas Instruments. Схемы этой серии обладают несколько меньшим быстродействием, чем схемы серии SUHL1, однако потребляемая ими мощность также несколько меньше (номинальное ее значение равно 10 мВт). Нагрузочная способность всех вентилей равна 10. Основное отличие этой схемы от схемы SUHL1 заключается в том, что диод£ ) 3 включен в эмиттерную, а не в базовую цепь транзистора

Т i, а сопротивление резистора R 2 увеличено до 1,6 кОм. Паспортные значения входных токов утечки у данной схемы меньше, чем у схемы

SUHL1.

Ток через резистор R x в вентиле серии 54/74 такой же, как и в вентиле SUHL1, однако меньшее паспортное значение входного тока утечки приводит к снижению величины номинального тока пи­ тания в выключенном состоянии до 1,06 мА. Более высокое сопро­ тивление R z снижает ток питания во включенном состоянии до 3,2 мА,

Фи г . 3.8. Базовый вентиль серии 54/74.

однако при этом управляющий базовый ток транзистора Т ъ также снижается до 2,54 мА.

ИС, полностью эквивалентные схемам серии 54/74, выпускаются фирмами: Fairchild и Ferranti (серия Micronor 5), ITT Semiconduc­ tors (серия MIC 54/7400), Marconi-Elliot Microelectronics, Motorola Mullard (серия FJ Range), National Semiconductors (серия DM 8000), SGS, Sprague, Sylvania и Transitron (серия HLTTL4). В то время,

когда писалась эта книга, схемы серии 54/74 и эквивалентные ей серии составляли большую часть мирового объема сбыта ТТЛ ИС.

Хотя схемы серии 54/74 работают почти так же, как схемы серии SUHL1, и схемы обоих серий допускают непосредственное сопряже­ ние, разводка выводов корпусов у них совершенно различна, что исключает их взаимозаменяемость. Разводка ИС серии 54/74, вы­ пускаемых в планарных корпусах, отличается от разводки аналогич­ ных ИС, выпускаемых в корпусах типа DIP, и это необходимо учи­ тывать при разработке чертежей печатных плат.

Подгруппа 54 представляет собой военную модификацию, рас­ считанную на полный рабочий температурный диапазон, а подгруп­ па 74 — коммерческую модификацию с ограниченным (промышлен­

ным) температурным диапазоном. Существует еще модификация 64 с промежуточным температурным диапазоном. Фирма Texas Instru­ ments также выпускает ТТЛ ИС серий 10 и Система 11, которые аналогичны серии 54/74 (подробнее см. технические условия поставщика).

3.2.3. В Е Н Т И Л Ь СЕРИИ 9000

Третьей главной серией ТТЛ ИС является серия 9000, которая была выпущена фирмами SGS и Fairchild в составе семейства логи­ ческих ИС CCSL (Compatible Current-Sinking Logic). Вентиль серии

Vce

9000 обладает несколько более высоким по сравнению с вентилем SUHL1 быстродействием и примерно такой же рассеиваемой мощно­ стью. Его нагрузочная способность равна 10, а паспортная величина входного тока утечки лежит посредине между соответствующими величинами для вентилей серии 54/74 и SUHL1. Схема вентиля при­ ведена на фиг. 3.9, из которой видно, что диод D 3 в схеме заменен транзистором Т3, что обеспечивает большую нагрузочную способ­ ность схемы в состоянии «1 » и более высокую скорость выключения вентиля.

Токи резистора R x в данной схеме такие же, как в схемах SUHL1 и 54/74, токи резистора — такие же, как в вентиле 54/74. Во включенном состоянии ток через транзистор Т3 и резистор R e со­ ставляет около 0,025 мА, а номинальный базовый ток транзистора Т ь равен 2,86 мА. Ток питания в выключенном состоянии равен 1,08 мА, а во включенном 3,19 мА.

Основными поставщиками ИС серии 9000 являются фирмы

Fairchild, SGS, Marconi-Elliot Microelectronics и ITT Semiconductors.

В основном ИС серии 9000 по номенклатуре вентилей и разводке

выводов соответствуют схемам серии 54/74, так что большинство из них может быть в случае необходимости использовано для опе­ ративной замены схем серии 54/74.

з. 2.4. В Е Н Т И Л Ь СЕРИИ SUHL2

Серия SUHL2 представляет собой быстродействующую серию из числа выпускаемых фирмой Sylvania ТТЛ ИС. Быстродействие этих схем выше, чем схем серии 9000, рассеиваемая мощность больше и, подобно схемам серии SUHL1, выпускаются модификации с вы­ сокой и низкой нагрузочной способностью. Схема вентиля приведена на фиг.3.10. Как и в серии 9000, диод D3здесь заменен транзистором,

Усе

Фи г . 3.10. Базовый вентиль серии SUHL2.

однако нижний вывод резистора R e подключен не к коллектору тран­ зистора Т ъ, а к земле. Сопротивления всех резисторов схемы мень­ ше, чем у вентилей серий SUHL1 и 9000, а паспортное значение максимального входного тока утечки вдвое выше, чем у вентиля

SUHL1.

Ток резистора R х в выключенном состоянии равен 1,63 мА, во включенном 1,12 мА. В выключенном состоянии ток резистора

6,14 мА.

Номенклатура вентилей аналогична номенклатуре серии SUHL1 при полном совпадении разводки выводов корпусов. Считается, что в ряде случаев при производстве ИС серий SUHL1 и SUHL2 на операциях диффузии используются одни и те же фотошаблоны. Раз­ личные уровни легирования позволяют получать в схемах серии SUHL2 более низкоомные резисторы, а различные фотошаблоны для

в схеме SUHL1.

Схемы серий RAY2 и MTTL2 полностью совпадают со схемами серии SUHL2.

3.2.5.ВЕНТИЛЬ СЕРИИ HLTTL2

Фирма Transitron Electronic также выпускает серию быстродейст­ вующих ТТЛ ИС, совместимых с серией SUHL, но ее схемы отли­ чаются от схем серии SUHL2 тем, что транзистор Т 3 объединен с транзистором Г 4 по схеме составного транзистора и не имеет собст­ венной нагрузки в коллекторной цепи (фиг. 3.11). Как и в случае

Кс

Фи г . 3.11. Базовый вентиль серии HLTTL2.

серий HLTTL1 и SUHL1, между характеристиками схем HLTTL2 и SUHL2 существуют незначительные различия, однако эти схемы в общем можно считать полностью совместимыми, за исключением,

может быть, незначительного уменьшения нагрузочной способности

(разд. 9.3).

3.2.6.В Е Н Т И Л Ь СЕРИИ 54Н/74Н

Серия 54Н/74Н фирмы Texas Instruments эквивалентна сериям с индексом 2 . Схема базового вентиля аналогична схеме вентиля HLTTL2 (фиг. 3.11), однако номинальные сопротивления резисторов чуть отличаются от номиналов в схеме SUHL2. Сопротивление Ri увеличено до 2,8 кОм, что дает несколько меньшую величину вход­ ного тока; сопротивление R 2 уменьшено до 760 Ом, а сопротивление R 3 — до 470 Ом. Сильнее всего изменено сопротивление R it которое уменьшено до 58 Ом. Сопротивление R e увеличено до 4 кОм.

Номенклатура вентилей совпадает с номенклатурой схем стан­ дартной серии 54/74.