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

3.2.9.ВЕН ТИ ЛЬ СЕРИИ 54L/74L

Схемы серии 54L/74L представляют собой маломощные ТТЛ ИС» иногда называемые «милливаттными». Эта серия была разработана фирмой Texas Instruments и на первый взгляд очень напоминает серию 54/74 (фиг. 3.13), однако номиналы резисторов примерно

в 10 раз больше по сравнению с ИС серии 54/74. Это приводит к зна­ чительному снижению быстродействия, однако резко падает и рас­ сеиваемая мощность, так как потребляемый ток включенного вентиля составляет менее 0,5 мА. Рассмотрение этой серии не входило в за­ дачу автора, однако оно включено в данный раздел для полноты.

3.2.10.ВЕН ТИ ЛЬ СЕРИИ 54S/74S

Наиболее новыми ТТЛ-схемами являются схемы серии 54S/74S с диодами Шотки, выпущенной фирмой Texas Instruments. Схема базового вентиля у них аналогична соответствующей схеме для серий RAY3 или MTTL3, показанной на фиг. 3.12, за исключением того, что все активные приборы (кроме транзистора Т 4) содержат диоды Шотки, шунтирующие их коллекторные переходы.

Эти диоды формируются с помощью создания контакта между базовой металлизацией и коллекторной областью n-типа, в резуль­ тате чего образуется диодная структура металл — кремний, под­ ключенная к коллектору. Созданный таким образом диод с барьером

ниевый р—я-переход, и практически не содержит неосновных носи­ телей. Этот диод предохраняет транзистор от насыщения, потому что втекающий в базу ток ответвляется в этот диод. Так как транзи­ сторы и связанные с ними диоды Шотки фактически не подвержены накоплению зарядов, скорость переключения вентиля возрастает без обычного в таких случаях увеличения потребляемой мощности.

Максимальное значение входного тока при логическом 0 на входе равно 2 мА, максимальное значение входного тока утечки при логи­ ческой 1 на входе равно 100 мкА. Наличие диода Шотки, шунтирую­ щего транзистор Т ъ, вызывает повышение предельного значения выходного уровня логического 0 V0L до 0,5 В. Паспортное значение рассеиваемой мощности очень близко к мощности ИС серии 54Н/74Н, однако величина максимальной задержки распространения более чем вдвое ниже, чем у вентилей серии «Н». Этот выигрыш в быстро­ действии почти полностью обусловлен отсутствием накопления зарядов, так как скорости переключения и, следовательно, длитель­ ности фронтов выходных сигналов близки к соответствующим вели­ чинам для схем 54Н/74Н. Поэтому применение более быстродейст­ вующих ТТЛ ИС серии «S» не накладывает более жестких по срав­ нению с ИС серии «Н» требований к межсоединениям.

Фактическое отсутствие накопления заряда в базе транзистора Т ъ означает, что «переключательный выброс» в таких ИС меньше, чем в любой ИС серий с индексами 2 и 3 (гл. 6 ). Подключение диодов Шотки к входным контактам позволяет ограничить отрицательные выбросы входных сигналов на меньшем по абсолютной-величине уровне, чем при подключении обычных диодов в вентилях других типов, что также повышает быстродействие ИС.

4

Статические и низкочастотные характеристики

ТТЛ ИС

4.1. Входная характеристика

Входные характеристики ТТЛ-вентилей всех серий очень похожи друг на друга, так как их входные цепи или аналогичны, или отли­ чаются весьма незначительно. На фиг. 4.1 показана типовая входная характеристика. При нулевом входном напряжении ток вытекает из схемы, по цепи, образуемой резистором R x и транзистором Т и

Фи г . 4.1. Типовая входная характеристика ТТЛ-вентиля.

так что величина этого тока определяется сопротивлением рези­ стора R lt При возрастании входного напряжения ток линейно умень­ шается до тех пор, пока не будет достигнут порог переключения схемы. В пороговой точке ток резистора переключается из эмиттерной в коллекторную цепь транзистора 7\, в результате чего входной ток резко падает до нуля. У ряда схем, полученных от раз­ личных изготовителей, наблюдался обратный изгиб входной харак-

теристики у начала участка переключения. Этот изгиб хорошо виден на фиг. 4.1 при увеличенном масштабе для входной характеристики. Предполагается, что он обусловлен эффектами накопления заряда в базе транзистора Т и который дает небольшое ускорение времени переключения при подаче на вход импульса с крутым фронтом.

При напряжении, превышающем порог переключения, во вход­ ную цепь втекает ток утечки. Этот ток существенно превышает обычный ток утечки закрытого транзистора, так как транзистор Т i

фиг. 4.2 транзистор 7\ изображен с одним эмиттером, а эмиттерная стрелка для пояснения рассматриваемого режима работы перенесе­ на на коллекторный вывод. Этот входной ток утечки обычно

«транзисторный эффект» может возникать и между эмиттерами, на­ ходящимися под высоким и низким напряжениями (токи / ;№ К ,

или 1Щ).

Входные транзисторы ТТЛ-схем проектируются таким образом, чтобы минимизировать эти токи утечки. Обычно при этом диффузи­ онные базовые области для снижения времени жизни неосновных носителей легируются золотом, а геометрия транзисторов выбирает­ ся так, чтобы обеспечить частичную взаимную изоляцию различных эмиттерных областей. На фиг. 4.3 показан входной транзистор, имеющий форму «сердечка», используемый одним из главных изго­

56 Глава 4

товителей ТТЛ ИС. Другие фирмы с этой же целью используют кре­ стообразную геометрию входных транзисторов.

Всем изготовителям ТТЛ ИС удается вполне успешно снижать эти нежелательные токи утечки, что подтверждается результатами измерений, выполненных автором настоящей книги и его коллегами. Средние значения этих токов лежат заметно ниже их предельных паспортных значений. Величина тока утечки при уровне 1 на входе сохраняется неизменной до примерно 4 В, однако при напряжениях свыше 4 В ток возрастает вплоть до наступления пробоя. Все по­ ставщики задают величину максимально допустимого напряжения

На фиг. 4.4 транзистор 7 \ вместе со своим диодом коллектор — под­ ложка изображен ниже земляной шины, и видно, что при таких напряжениях включенный в нормальном режиме входной транзистор -обеспечивает вытекающий из входной цепи ток IRihFm. Этот эффект ограничивает отрицательный выброс входного напряжения и имеет важное значение для ограничения паразитных колебаний при по­ ступлении управляющих сигналов на вентили с длинных линий связи. Некоторые изготовители ТТЛ ИС выбирают конструкцию транзистора 7 \ таким образом, чтобы усилить этот эффект и обес­

печить резкое ограничение отрицательных выбросов входных сигна­ лов на уровне —1 В, однако другие предпочитают сохранить доста­ точно высокий импеданс диода коллектор — подложка, а для огра­ ничения возможных отрицательных выбросов входного напряжения используют отдельные диффузионные диодные структуры, разме­ щаемые под входными контактными площадками.

Следует избегать возможности появления на входах схемы отри­ цательных напряжений от источников с низким импедансом, так как при этом могут протекать очень большие токи, способные вы­ вести схему из строя. В паспортных данных ТТЛ ИС двух фирм-по- ставщиков приводится значение максимального вытекающего вход­ ного тока, равное 10 мА.

4.2. Выходная характеристика

Нормальный выходной перепад напряжения ТТЛ-вентиля состав­ ляет в типовом случае от 0,2 В во включенном состоянии до 3,5 В в выключенном. Так как в каждом из этих состояний в активном режиме находятся различные компоненты схемы, то существуют и две различные выходные характеристики, показанные на фиг. 4.5. Различия в выходных каскадах, используемых в ТТЛ ИС различных серий, приводят к небольшим различиям в выходных характери­ стиках, соответствующих высокому выходному уровню. Влияние этих схемных различий поясняется в разд. 14.3.

4 .2 .1 . ХАРАКТЕРИ СТИ КА , СООТВЕТСТВУЮ Щ АЯ НИЗКОМ У ВЫ ХОДНОМ У УРОВНЮ

Наиболее важным участком характеристики для низкого выход­ ного уровня является ее участок, соответствующий втекающим выходным токам от 1 до 20 мА. На этом участке характеристика оп­ ределяется обычным выходным импедансом насыщенного транзисто­ ра, составляющим около 10 Ом. Во всех исследованных схемах ре­ жим насыщения транзистора Т ъсохранялся вплоть до токов порядка 40 мА, хотя в ряде случаев выходное напряжение и поднималось при этом выше предельного паспортного уровня V0L. Если на выход схемы, находящейся во включенном состоянии, подать высокое напряжение, то наблюдается резкий рост тока при напряжениях свыше 4 В. Так как измерения при таких напряжениях легко могут вывести схему из строя, то подобные исследования были проведены всего на нескольких схемах.

При выходных токах, соответствующих полной паспортной на­ грузке, характеристики всех исследуемых вентилей лежали в задан­ ных изготовителями границах и найденное типовое значение напря­ жения V0L составило 0,2 В.

Когда прикладываемое к выходу схемы напряжение становится ниже нормального значения V0L, втекающий в выходную цепь ток уменьшается и становится равным нулю при напряжении, равном

напряжению насыщения VCeнас транзистора Т ъ, а при дальнейшем снижении напряжения начинает течь в обратную сторону. Этот ток представляет собой управляющий базовый ток транзистора Т ь,

Фи г . 4.5. Типовые выходные характеристики ТТЛ-вентиля.

задаваемый транзистором Т 2 и протекающий через смещенный в пря­ мом направлении переход коллектор — база транзистора Т ъ. При выходном напряжении, равном —0,5 В, весь базовый ток тран­ зистора Т ъ ответвляется в его коллекторную цепь.

При дальнейшем изменении выходного напряжения в отрицатель­ ном направлении начинает проводить диод коллектор — подложка транзистора Т 5. Вытекающий выходной ток при этом резко возраста­ ет, в результате чего происходит ограничение максимальных отри­ цательных напряжений на уровне —1 В. Через транзистор Т 4 ток при этом не протекает, так как транзистор Т 2 насыщен, а падения напряжения между базой и коллектором транзистора Т ъ недоста­ точно для включения диода £ ) 3 (или транзистора Т 3) и транзистора

Т4. Наклон выходной характеристики, соответствующей низкому выходному уровню, на участке между напряжениями V0L и —0,5 В в сильной степени определяет паразитные колебания в линиях пере­ дачи (разд. 14.3).

4 .2 .2 . ХАРАКТЕРИСТИКА, СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ВЫСОКОМУ ВЫХОДНОМУ J РОВНЮ

Как было показано в подразд. 3.1.3, нормальное выходное напря­ жение выключенного вентиля ниже напряжения питания на вели­ чину падения напряжения на двух р—n-переходах, т. е. при напря­ жении питания 5,0 В высокое выходное напряжение Уон составляет около 3,5 В. Так как при входных напряжениях, превышающих порог VТн, ток втекает в входные цепи ТТЛ ИС, то в состоянии логи­ ческой 1 выходная цепь должна обеспечивать соответствующий вытекающий ток. Этот ток обеспечивается транзистором Tit работаю­ щим в режиме эмиттерного повторителя. При малых токах (менее 0,5 мА) падение напряжения на резисторе R 4будет меньше разности напряжений база — эмиттер VВе и коллектор — эмиттер VCE тран­ зистора Т 4, так что Т 4не будет насыщен и выходной импеданс схемы будет составлять R J h FEi, что равно примерно 80 Ом. При возраста­

зультате чего выходной импеданс изменится и станет примерно равным сопротивлению резистора R 4. Если выход схемы заземлить, то вытекающий выходной ток }os составит около 40 мА. При даль­ нейшем снижении напряжения на выходе ток продолжает расти до тех пор, пока (как и в случае выходного состояния 0 ) не откроет­ ся диод коллектор — подложка транзистора Т ь и не ограничит дальнейшее изменение напряжения.

Положение точки на выходной характеристике, в которой про­ исходит возрастание выходного импеданса, зависит от того, включен ли диод D 3 в базовую или змиттерную цепь транзистора Г 4. При включении диода в базовую цепь этот переход происходит при вели­

цепь величина 1/0з в приведенное выражение не входит. Выходные характеристики, соответствующие высокому уровню, для ТТЛ ИС с двумя транзисторами в выходной цепи, различаются в зависимо­ сти от того, насыщается транзистор Г 4 или нет и насыщается он раньше или позже транзистора Т я.

Включение в некоторых типах ТТЛ-вентилей резистора R e между базой и эмиттером транзистора Т 4 оказывает влияние на участок выходной характеристики в области малых токов. При очень малых

(менее 0,05 мА) токах этот резистор шунтирует транзистор Т 4, в ре­ зультате чего нормальный выходной уровень будет ниже напряже­ ния VCc только на одно диодное падение напряжения. При возра­ стании выходного тока падение напряжения на этом резисторе растет до тех пор, пока при некотором токе (составляющем менее 0,2 мА) не включится эмиттерный повторитель Т 4; далее выходная характе-

Напряжение на выходе, В

Фи г . 4.6. Выходная характеристика, соответствующая высокому выходному уровню, вентиля, в котором транзистор Г4 зашунтирован резистором R 6.

ристика будет совпадать с характеристиками схем, в которых этот резистор отсутствует (фиг. 4.6).

Если на выход схемы, находящейся в состоянии, соответствую­ щем высокому уровню, подается напряжение свыше Кон, то транзи­ стор Тц выключается и в выходную цепь втекает только пренебрежи­ мо малый ток утечки. Такой режим сохраняется вплоть до пробоя, происходящего при напряжении 10 В, при котором ток резко возра­ стает (пробивается обычно коллекторный переход транзистора Т5).

4.3. Передаточная характеристика

Типовая низкочастотная зависимость выходного напряжения ТТЛ-вентиля от входного показана на фиг. 4.7. Можно считать, что входное напряжение подается одновременно на все входы вентиля. Если оно подается только на один из входов, то на все другие должно быть подано напряжение логической 1 .

Когда входное напряжение равно 0 В, выходное составляет около 3,5 В. Напряжение на базе транзистора 7 \ равно VВЕ1, и тран­ зисторы Т 2 и Т в оказываются выключенными. Напряжение на базе транзистора Т ъ равно нулю; близко к нулю и напряжение на базе транзистора Т 2. При увеличении входного напряжения растет на­ пряжение на базе Т и которое превышает входное напряжение на величину Vbe- Напряжение на коллекторе транзистора 7 \ и напря­