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

большие, чем схемы SUHL1, но не столь большие и крутые, как схемы серии SUHL2.

Влияние изменений внешних условий (например, температуры) на величину выброса тока при переключении рассмотрено в гл. 10.

6.1.3. В О ЗН И К Н О В ЕН И Е ВЫБРОСА ТОКА ПРИ ВК Л Ю Ч ЕН И И ТТЛ-ВЕНТИЛЯ

В разд. 5.1 показано, что емкость в коллекторной цепи транзи­

Т 2 не достигнет уровня, соответствующего включенному состоянию вентиля. Это может вызвать выброс тока, аналогичный выбросу при выключении, но обычно со значительно меньшей амплитудой. При работе ИС в нормальных условиях этот выброс тока при вклю­ чении можно не учитывать.

6.2. Влияние выброса тока

6.2.1. ВЫБРОС Н А П РЯ Ж Е Н И Я В ЦЕПИ ПИТАНИЯ

Рассмотренный выброс тока будет вызывать выброс напряжения в шине питания VCc относительно земли. Амплитуда, длительность и фронты этого выброса напряжения зависят от характера импедан­ са источника питания, как описано в гл. 16. Величина и влияние выброса напряжения подробно рассмотрены в разд. 16.2.

6.2.2. ПОМЕХИ ПО СИГНАЛЬНЫМ ШИНАМ

Резкие выбросы тока в цепи питания в сочетании с выбросами напряжения на шине питания могут наводить на проводники, рас­ положенные вблизи шины питания, паразитные сигналы. Однако, так как выбросы напряжения на шине питания существенно меньше нормального перепада напряжения выходного сигнала при пере­ ключении вентиля (за исключением тех случаев, когда импеданс шины питания очень велик), величина выброса, наведенного в сиг­ нальной линии выбросом в шине питания, будет мала по сравнению

снаводками от соседних сигнальных линий, поэтому этой величиной

сполным основанием можно пренебречь. (Обычно амплитуда любого паразитного сигнала, вызванного наводкой от шины питания, со­ ставляет от 1/10 до 1/3 амплитуды паразитного сигнала, наводимого от сигнальных линий.) В гл. 15 рассмотрены вопросы взаимного влияния соседних проводников.

7

Разновидности базовых схем ТТЛ-вентилей

В разд. 3.1 подробно описан базовый ТТЛ-вентиль и показаны способы его развития до схемы И—ИЛИ—НЕ с помощью введения параллельных фазоразделительных транзисторов. С помощью других незначительных изменений в базовой схеме можно изменить ее характеристики и получить другие типы схем. В данном разделе рассмотрены основные схемные варианты ТТЛ ИС. На всех фигурах данного раздела нумерация компонентов соответствует принятой на фиг. 3.1. Если в какой-либо схеме вводится новый резистор, тран­ зистор ит. д., то присваиваемый этому компоненту номер будет во всех других схемах использоваться только для компонентов, вклю­ ченных аналогичным образом. Следовательно, везде в данном разделе обозначение Т 4 будет относиться к верхнему выходному транзистору, R 3 — к резистору в эмиттерной цепи фазоразделительного транзи­ стора и т. д.

7.1. Неинвертирующий вентиль И

Базовый ТТЛ-вентиль выполняет логическую операцию И — НЕ. В этом случае для реализации функции И придется использо­ вать дополнительные инверторы, а это значит дополнительные кор­ пуса и дополнительное время задержки в схеме. Для того чтобы избежать этого, некоторые изготовители ввели в свои серии неин­ вертирующие вентили, которые обеспечивают непосредственное выполнение логической операции И.

Такой неинвертирующий вентиль (фиг. 7.1) состоит из обычного инвертирующего вентиля, к которому добавлен дополнительный инвертирующий каскад, в результате чего схема выполняет опера­ цию И — (ИЛИ) — НЕ — НЕ. Фазоразделительный и выходной каскады (начиная от транзистора Т г и правее) обычно по своим пара­ метрам соответствуют более быстродействующему вентилю. Допол­ нительный резистор R 8, включенный между выходом и базой тран­ зистора Т ъ, обеспечивает активный режим транзистору Г 4 в состоя­ нии логической 1 и помогает уменьшить паразитные колебания после переключения схемы.

Входной транзистор 7\ выполняется обычным способом, однако вместо управления фазоразделительным транзистором он управляет дополнительными транзисторами Г , и Г,. Два транзистора здесь необходимы для того, чтобы сохранить входные уровни переключе­ ния схемы такими же, как и у стандартного вентиля.

Ф и г . 7.1. Базовый неинвертирующий вентиль.

Низкочастотная передаточная характеристика такого вентиля не имеет наклона на верхнем участке, как у обычного инвертирую­ щего вентиля, так как фазоразделительный транзистор Т 2 в рассмат­ риваемой схеме резко переключается; это происходит в тот момент, когда напряжение на коллекторе транзистора Т 8 проходит порог переключения транзистора Т 2 (■—■1,6 В).

Включение транзисторов Т 7и T s по схеме составного транзистора (схема Дарлингтона) обеспечивает активный режим транзистору Т 8, так что напряжение на коллекторе Т 8 не опускается ниже 1 В. В результате транзистор Т 2постоянно находится в активном режиме, что обеспечивает быстрое включение вентиля. На фиг. 7.2 показаны упрощенные временные диаграммы работы рассматриваемой схемы при ее выключении.

Неинвертирующие вентили на практике оказываются обычно более медленными, чем инвертирующие вентили серии 1, хотя при­ веденные в их паспортных данных предельные значения быстродейст­ вия могут быть такими же или даже более высокими. Однако один неинвертирующий вентиль обладает более высоким быстродействием, чем два последовательно включенных инвертирующих вентиля с£- рии 2. Рассеиваемая таким вентилем мощность больше, чем мощность, рассеиваемая инвертирующим вентилем, так как в нем либо фазо­ разделительный транзистор, либо транзисторы Т 7 и Т 8 все время открыты.

Функция ИЛИ может быть реализована подключением дополни­ тельных транзисторов параллельно транзистору Т 7 таким образом,

Фи г . 7.2. Упрощенные временные диаграммы процесса выключения неинвер­ тирующего вентиля.

что вводимая при этом дополнительная входная схема аналогична используемой в обычном вентиле И — ИЛИ — НЕ (фиг. 7.3).

В некоторых неинвертирующих вентилях имеется возможность управлять длительностью переходных процессов. Для этого базовый вывод транзистора Т ь присоединяют к отдельному выводу корпуса, и между коллектором и базой транзистора Т ъ может быть включен конденсатор обратной связи, который позволяет регулировать длительности фронтов выходного сигнала. Включая конденсаторы

емкостью 150 пФ, можно снизить времена нарастания и спада до величины порядка 50 нс. В такой схеме транзистор T s подключается к транзистору Г 2 через диод, между базой Т2 и землей включается резистор, а резистор, соединяющий выход схемы с базой транзистора Т 5 , заменяется резистором, включенным между выходом и землей.

Ф и г . 7.3. Входные каскады неинвертирующего вентиля с внутренней функ­ цией ИЛИ.

Не все изготовители, выпускающие вентили И, используют схему составного транзистора ( Т 7 и T s). Резистор R a и транзистор Т 8 можно заменить диодом, включенным между эмиттером транзи­ стора Т , и землей.

7.2. Вентиль ИЛИ — НЕ

Вентиль ИЛИ — НЕ на самом деле не является вариантом базо­ вой схемы, а представляет собой необычное включение стандартного вентиля. Этот вентиль является базовым вентилем И — ИЛИ — НЕ, но с однозмиттерными транзисторами Т ХА и Т 1В. В результате функ­ ция И в схеме не реализуется, а выполняется только функция ИЛИ — НЕ. Аналогично основной вентиль И — НЕ представляет собой вентиль И — ИЛИ — НЕ, в котором коэффициент объедине­ ния по ИЛИ равен единице.

7.3. Вентиль ИЛИ

Вентиль ИЛИ представляет собой вентиль И (который, как по­ казано в разд. 7.1, является на самом деле вентилем И — ИЛИ — НЕ — НЕ) с однозмиттерными входными каскадами.

7.4. Расширители

Применение для ТТЛ ИС корпусов с 14 выводами накладывает ограничение на логические функции, которые могут выполняться схемой, смонтированной в одном корпусе. Так как два вывода

корпуса подводятся к питанию и земле и как минимум один вывод служит выходом схемы, то число используемых входов не может быть выше 11. Для многих логических функций это ограничение не вызывает осложнений, и поэтому простые вентили выпускаются по несколько штук в одном корпусе. Если же необходимы много­ входовые схемы И (или И — НЕ) или многовходовые схемы ИЛИ, объединяющие несколько схем И, то имеющихся у стандартного корпуса одиннадцати свободных входов может оказаться недоста­ точно, поэтому должна быть предусмотрена возможность, позволяю­ щая сочетать схему базового вентиля со схемой расширителя.

7.4.1. П РА В И Л ЬН О Е П РИ М Е Н Е Н И Е РА СШ И РИ ТЕ Л ЕЙ

ТТЛ-схемы сконструированы оптимально с точки зрения быстро­ действия, рассеиваемой мощности и помехоустойчивости. Для любого расширения ее логических функций необходимо подсоединиться к некоторой промежуточной точке схемы, в которой помехоустойчи­ вость схемы ниже, чем по входу. Поэтому НС расширителей должны размещаться рядом с ИС, логику которых они расширяют, чтобы подключаемые к расширяющим входам соединительные проводники имели минимально возможную длину, так как помимо ухудшения помехоустойчивости емкость проводов будет также ухудшать работу расширяемого вентиля (разд. 10.5).

Это означает, что расширители следует применять осторожно. Однако при условии учета ограничений по размещению корпусов ИС расширителей их можно использовать смело во всех случаях, когда это необходимо с точки зрения логического проектирования. Риск при использовании расширителей появляется при размещении их в отдалении от расширяемых вентилей. Расширители нельзя использовать для организации встроенных схем «монтажное ИЛИ».

7.4.2.РАСШ ИРЕНИЕ по или

Расширители по ИЛИ применяются в сочетании с большинством вентилей типа И — ИЛИ — НЕ. Эмиттер и коллектор фазоразде­ лительного транзистора Т 2 подключены к выводам корпуса вентиля, а ИС расширителя содержит аналогичный входной транзистор Т 1Е и фазоразделительный транзистор Т гЕ (фиг. 7.4). Следовательно, при открывании любого из фазоразделительных транзисторов на выходе ИС установится напряжение логического 0 независимо от режима всех остальных фазоразделительных транзисторов. На фиг. 7.4 показана схема типа 4И—2ИЛИ—НЕ, которая с помощью одного расширителя (из двух в корпусе) обеспечивает выполнение функции 4И — ЗИЛИ — НЕ.

По мере увеличения числа фазоразделительных транзисторов, включаемых параллельно, будут возрастать токи утечки. Это может

вызвать включение выходных каскадов и снизить помехоустой­ чивость схемы в точках подключения расширителей. Предельные случаи, при которых еще обеспечивается надежная работа схемы, приводятся изготовителями в паспортных данных ИС.

Если требуется расширение с добавлением двух входов ИЛИ то необходимо использовать два расширителя, размещенных в одном

Усе

Ф и г . 7.4. Вентиль 4И — 2ИЛИ — НЕ, расширенный с помощью половины сдвоенного расширителя 4И — ИЛИ для получения логической функции S = = A - B - C - D + E - F - G - H + J - K - L - M .

корпусе, чтобы свести до минимума емкость соединительных про­ водников.

Хотя ИС расширителя по ИЛИ не имеет отдельного вывода земли, ее корпус обязательно должен быть заземлен, чтобы на под­ ложке схемы было соответствующее смещение.

7.4,3. РАСШ ИРЕНИЕ по и

В серии SUHL (и EILTTL) содержатся схемы, позволяющие увеличить количество входов у вентилей И — НЕ сверх имеющихся у стандартных схем. Эти расширители применяются только в соче­ тании с8-входовым вентилем И — НЕ. Для обеспечения расширения по И база и коллектор транзистора 7 \ выведены на ножки корпуса. Сам расширитель представляет собой многоэмиттерный транзистор.

нагрузки, текущими в выходных транзисторах, поэтому при расчете температуры кристалла эту мощность надо добавить к паспортной.

Термины «магистральный усилитель» и «буфер» рассматривались в данном разделе как синонимы, так как одни изготовители исполь­ зуют первый термин, другие — второй. Термин «магистральный усилитель» не означает, что такие ИС могут работать на актив­ ную нагрузку порядка 100 Ом, подключенную к земляной шине или шине питания.

7.6. Элементы индикации

ТТЛ-злемент индикации (схема управления индикационными лампочками) выполнен на основе кристалла ИС магистрального усилителя без соединительной металлизации транзисторов Т3 и Т 4,

Уев

Ф и г . 7.5. ТТЛ ИС-элемент индикации или вентиль с'разомкнутым коллектором.

в результате чего коллектор транзистора Т ъподключен только к вы­ ходу схемы (фиг. 7.5). Допустимый втекающий выходной ток в со­ стоянии логического 0 обычно при этом увеличивается, однако уро­ вень логического 0 также возрастает, чтобы обеспечить протекание этого тока.

Во всех случаях, когда элемент индикации используется для управления обычными ТТЛ-вентилями, между его выходом и шиной питания должен быть включен нагрузочный резистор. Сопротивле­ ние этого резистора выбирается таким, чтобы обеспечить заданную нагрузочную способность вентиля. Отсутствие резистора в цепи кол­ лектора 7\, означает, что выходы элементов индикации можно объе­ динять по схеме «монтажное ИЛИ» (с учетом изложенного в подразд. 14.1.4.6).

ИС, содержащие элементы индикации, можно также использо­ вать в качестве элемента задержки при включении между выходом и землей конденсатора, увеличивающего время нарастания выходно­ го напряжения, и подключении к этому выходу ТТЛ-вентиля или аналогичной схемы для «формирования» фронтов выходного сигнала. При желании получить от схемы задержку свыше 1 мкс время нара­ стания сигнала, поступающего на следующий вентиль, становится настолько большим, что при этом фронты сигнала на выходе формирующего вентиля существенно ухудшаются и работа схемы становится ненадежной. Подобные схемы задержки обладают низкой точностью, однако при отсутствии жестких требований к величине задержки или возможности применения резистора с переменным сопротивлением они очень удобны.

Как и в случае магистральных усилителей, рассеиваемая эле­ ментами индикации мощность при полной выходной нагрузке и одновременно включенных вентилях может быть весьма значитель­ ной. Во время переключения остальных вентилей одной ИС могут наблюдаться существенные изменения выходного уровня логиче­ ского 0, хотя все эти изменения не должны выходить за пределы паспортного значения этого уровня. При использовании ИС-эле- мента индикации в режиме с предельной нагрузкой рекомендуется обеспечить такой режим ее работы, чтобы одновременно в состоянии логического 0 находилось не более двух вентилей. Если три или более вентиля в одном корпусе окажутся включенными одновременно, то необходимо ограничить их нагрузочные токи. Предельный режим безопасной с точки зрения долговременной надежности работы до­ стигается при выполнении неравенства

0,06п -J- 10 (/f -К /| —/| И—/f) 0,3,

где п — количество одновременно включенных вентилей, I — ток в амперах.