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

жение на базе Т 2также возрастают, так как они равны напряжению на базе Т х за вычетом VCB, т. е. напряжение на базе Т 2 растет при­ мерно вровень с входным напряжением.

В том случае когда входное напряжение достигает примерно 0,65 В (точка А на фиг. 4.7), напряжение на базе транзистора Т 2

Увых,В

(в данном случае базовым током транзистора Т 2 можно пренебречь). Номиналы резисторов R 2 и R 3 близки, а в схемах некоторых серий просто одинаковы, так что по мере возрастания эмиттерного напря­ жения транзистора Т 2его коллекторное напряжение будет снижаться примерно на такую же величину. При нормальной нагрузке выход­ ное напряжение будет ниже напряжения на коллекторе транзистора Т 2 на величину VD3+ V be*> так что на участке передаточной характе­ ристики, соответствующем входным напряжениям свыше 0,7 В,

эмиттере Т 2 не достигнет напряжения отпирания транзистора Т ъ. Это происходит при входном напряжении, равном 1,4—1,5 В. Ток

Ток через резистор R 3 составляет всего около 0,7 мА, а остальная

транзистора Т ъ. Транзистор Т ъ отпирается и выходное напряжение

Уеых,В

4 г

■\

-

на входной уровень логического 0 , наложится на выходной уровень логической 1 в инвертированном виде почти с такой же амплитудой. В подразд. 9.4.5 поясняется практическая сущность этого наклон­ ного участка передаточной характеристики.

В некоторых более поздних ТТЛ ИС резистор R 3 заменен рези­ сторно-транзисторной схемой (фиг. 3.12). При ее использовании ток через транзистор Т 2 не протекает до тех пор, пока напряжение на его эмиттере не превысит напряжение VBEe; только после этого через резистор R 3 начнет протекать ток. Так как напряжение 1/ ВЕв примерно равно напряжению VВе ъ , т о выходной уровень 1 не будет изменяться в этом случае до тех пор, пока входное напряжение не достигнет уровня, при котором отпирается транзистор Т 6. Это означает, что наклонный участок между точками А и В, имеющийся на обычной передаточной характеристике, исключается и передаточ­ ная характеристика вентиля, в который введены резистор R 7и тран­ зистор Т д, будет иметь вид, показанный на фиг. 4.8. В вентиле такого типа происходит подавление любой низкочастотной помехи по лю­ бому из уровней, если величина этой помехи не достигает порога фактического переключения схемы.

Переключение ТТЛ-вентиля

5Л. Включение ТТЛ-вентиля

Когда ТТЛ-вентиль переключается сигналом, поступающим с другого ТТЛ-вентиля, подключенного к нему коротким проводни­ ком, скорость изменения напряжения на его входе весьма велика (порядка 0,3 В/нс) (фиг. 5.1). При возрастании напряжения на входе (т. е. на эмиттере транзистора 7\) растет напряжение и на базе Т и которое выше эмиттерного на величину КВЕ, и ток, вытекающий из входной цепи, уменьшается. Напряжение на коллекторе транзистора Т 1у соединенном с базой транзистора Т 2, «следит» за напряжением

растет напряжение на эмиттере Т 2, пока переход база — эмиттер транзистора Т ъне откроется. Этот переход ограничивает дальнейшее нарастание напряжения на эмиттере Т 2на уровне около 0,7 В (иногда это сопровождается небольшим выбросом напряжения), а падение напряжения КВЕ2 ограничивает нарастание напряжения на коллек­ торе транзистора 7\ на уровне примерно 1,4 В, что в свою очередь ограничивает нарастание напряжения на базе 7\. Входное напря­ жение продолжает расти, выключая эмиттерный переход транзи­ стора 7\, и во входную цепь начинает втекать ток утечки (или, что более правильно, ток инверсно включенного входного транзистора).

ный ток этого транзистора. Крутизна фронта напряжения на кол­ лекторе Т 2 определяется скоростью нарастания входного напряже­ ния, предельной частотой f T транзистора Т 2, сопротивлением рези­ стора R 2 и паразитными емкостями схемы. До этого момента через диод D3 и переход база — эмиттер транзистора Т 4 протекал ток (ток также протекал в цепи коллектор — эмиттер транзистора Т 4), однако по мере уменьшения напряжения на коллекторе Т 2 транзи­ стор Т4 запирается и напряжение на его эмиттере (который является выходом вентиля) начинает очень медленно снижаться с большой постоянной времени, определяемой током, втекающим во входную цепь нагрузочного вентиля (//я), и емкостью в выходном узле.

Входной, сигнал

3-

2-

Время, нс

Ф и г . 5.1. Типовые временные диаграммы при включении ТТЛ-вентиля.

Коллекторный ток транзистора Т ъ появляется через 4—5 нс после того, как напряжение на его базе достигнет уровня около 0,7 В. Сначала этот ток целиком идет на разряд выходной емкости схемы, и поэтому крутизна фронта напряжения в выходном узле определяется предельной частотой / т транзистора Т ъ и емкостью, подключенной к этому узлу. При напряжении ниже 1,5 В в тран­ зистор Т ъ начинает втекать нагрузочный ток из входной цепи сле­ дующего вентиля и скорость изменения выходного напряжения не­ сколько снижается.

заны пять экспериментальных кривых и теоретическая кривая (пунк­ тир), рассчитанная для наихудшего случая сточки зрения величины токового выброса на вентиль при максимально допустимой рассеи­ ваемой мощности в статическом режиме.

Ф и г. 5.3. Отношение мощности, рассеиваемой схемой при высокой частоте переключения, к средней мощности в статическом режиме.

5.3.3.ЭФФЕКТЫ , В Ы ЗЫ В А Е М Ы Е П Е РЕ К Л Ю Ч Е Н И Е М Д В У Х ВЕНТИЛЕЙ , РАСПО ЛОЖ ЕННЫ Х НА ОДНОМ КРИСТАЛЛЕ

Когда на одном кристалле изготовлено несколько вентилей, одновременное независимое переключение двух или более вентилей может оказывать весьма слабое влияние на их быстродействие. Также слабо влияет частота переключения на задержку, однако этот эффект меняется от схемы к схеме.

Переключение одного из вентилей в многовентильной ИС может оказывать влияние на статический уровень логического 0 у другого вентиля этой ИС. Ток, который втекает в выходные цепи всех вклю­ ченных вентилей, «возвращается» к земляной шине печатной платы или в систему земли через общую земляную шину кристалла и про­ волочку, идущую от кристалла к рамке с выводами. При включении и выключении вентилей ток в этой общей земляной цепи будет меняться и, хотя ее сопротивление мало, небольшое изменение вы­ ходных уровней схем может наблюдаться. Эти изменения будут значительными лишь в мощных сильно нагруженных магистраль­ ных усилителях. Насколько автору известно, все изготовители ТТЛ ИС испытывают свои схемы с большим количеством выходов при полной нагрузке на всех выходах; при этом необходимо следить, чтобы любые изменения выходных уровней логического 0, обуслов­ ленные влиянием общей земляной цепи, не выходили за пределы паспортных значений выходного уровня логического 0.

6

Выбросы тока при переключении ТТЛ ИС

6.1. Выброс тока

6.1.1. В В ЕД ЕН И Е

Выброс тока в цепи питания во время переключения рассматри­ вался многими специалистами как крупнейший недостаток ТТЛ ИС. Некоторые специалисты утверждали (без каких-либо обоснований), что при использовании ТТЛ ИС принципиально необходимо приме­ нять печатные платы с внутренними земляными слоями или что отсутствие около каждой ТТЛ ИС развязывающего конденсатора приводит к тому, что выброс тока от переключения одного вентиля вызывает ложное переключение всех остальных вентилей на плате. Ошибочность подобных утверждений становится очевидной после соответствующего анализа этого выброса и его последствий.

6.1.2. ВО ЗН И КН О В ЕН И Е ВЫБРОСА ТОКА ПРИ В Ы К Л Ю Ч Е Н И И ТТЛ -ВЕНТИЛЯ

В разд. 5.2 показано, что во время выключения ТТЛ-вентиля отпирание транзистора Т 4 происходит раньше запирания транзисто­ ра Т ъ, что вызывает выброс потребляемого от источника питания тока, протекающего вплоть до момента выключения транзистора Т 6.

В процессе выключения ТТЛ-схемы ток питания схемы 1СС быст­ ро растет и превышает ток питания во включенном состоянии. Как только транзистор Т 2 выключается и напряжение на его коллекторе начинает нарастать, включаются диод Ds и транзистор Т 4. Напряже­ ние на эмиттере Т 4удерживается на уровне Уоь коллекторной цепью транзистора Т ъ, поэтому изменения заряда на емкости в выходном узле не происходит и скорость нарастания тока ограничивается только характеристиками транзистора Т 4. (Предполагается, что импеданс источника питания по отношению к ИС равен нулю.)

Если транзистор Т 6 остается в режиме насыщения, этот ток будет возрастать до величины тока короткого замыкания, которая огра­

насыщения, после чего ток / сс будет ограничиваться сопротивлением коллектор — эмиттер транзистора Т ъв активном режиме. Напряже­ ние на выходе схемы растет, причем скорость его нарастания зави­ сит от емкости в выходном узле, которая перезаряжается током, текущим через транзистор Г 4. По мере заряда емкости ток через транзистор Г 4 и резистор R 4 уменьшается и в конце концов дости­ гает значения, соответствующего потребляемому току в выключен­ ном состоянии. На фиг. 6.1 показано несколько типовых графиков

мА

выбросов тока, причем за нулевой уровень принят начальный ток питания.

Некоторое представление о величине выброса тока можно полу­ чить из характеристик конкретной схемы. В вентиле с меньшим временем выключения, скорее всего, будет больший выброс тока по сравнению с вентилем, имеющим большее время переключения, а вентиль с меньшим сопротивлением R 3 будет иметь и меньшую длительность выброса тока, так как накопленный в базе транзистора Т в заряд рассасывается в этом случае быстрее.

Автор не проводил измерений выбросов тока у схем серий 3 (MTTL3 или RAY3), однако считается, что эти выбросы сравнимы с выбросами у схем серий 2 (SUHL2, HLTTL2). Схемы серии SUHL1 имеют выбросы тока с большей амплитудой и более крутыми фрон­ тами, чем схемы серии 54/74, а схемы серии 9000 имеют выбросы