Экзамен микроэлектроника / Лекции / 7. Сложный инвертор

Базовый элемент ТТЛ

Логические уровни СИ.

Напряжение логической единицы СИ вычислим, используя схему ТТЛ со сложным инвертором:

В состоянии логической единицы по выходу транзисторы Т₁ и Т₃ заперты, а Т₂ работает в активном режиме. Поэтому для логической единицы можно записать соотношение:

Как видим, благодаря наличию эмиттерного повторителя обеспечивается более высокая нагрузочная способность по сравнению с простым инвертором. Напряжения на переходах транзистора Т₂ и диода для практических расчетов можно принять равными. Тогда при малых нагрузках напряжение логической единицы будет равно . При больших нагрузках напряжение логической единицы должно обеспечиваться не ниже уровня 2.4В.

Напряжение логического нуля.

Резистор обеспечивает надежное запирание транзистора Т₃. Когда на всех входах ТТЛ действуют логические единицы, транзисторы Т₁ и Т₃ открыты и насыщены. Причем Т₃ способен принять на себя большой ток нагрузки. Поэтому напряжение логического нуля на выходе, как правило, равно в зависимости от тока нагрузки и условий эксплуатации.

ТТЛ со сложным инвертором. Передаточная характеристика.

Передаточная характеристика – это зависимость выходного напряжения от входного.

Построим передаточную характеристику ТТЛ со сложным инвертором методом характерных точек. Для расчета передаточной характеристики ЛЭ подадим на входов логические единицы, а на оставшийся – логический ноль. При этом на выходе СИ будет уровень логической единицы (при отсутствии нагрузки).

Передаточная характеристика изображена на рисунке.

При повышении напряжения на логическом входе до уровня открывается транзистор Т₁. Токи и возрастают. Наклон пологого участка передаточной характеристики обусловлен коэффициентом усиления:

При достижении напряжения начинает открываться транзистор Т₃ и его база-эмиттерный переход шунтирует сопротивление , и коэффициент усиления резко возрастает. Поэтому от точки до точки наблюдается крутой спад передаточной характеристики. По достижении точки оба транзистора переходят в режим насыщения, соответственно напряжение на базе Т₂ становится равным и он запирается.

Напряжение на эмиттере Т₁ ограничивается база-эмиттерным переходом Т₃ значением . Соответственно напряжение на базе Т₁ остается , а на базе МЭТ – .

Передаточная характеристика схемы ТТЛ СИ имеет существенный недостаток из-за наличия пологого участка, поскольку любая помеха в интервале входных напряжений от до , которая накладывается на входное напряжение отразится в выходном напряжении в инвертированном виде с коэффициентом передачи K. Чуть позже мы рассмотрим несколько модификаций ТТЛ, которые используются в современных микросхемах.

Входная характеристика ТТЛ. Входная характеристика – это зависимость входного тока от входного напряжения (). Будем считать входной ток положительным, если он втекает в ЛЭ (см. рис.). Входная характеристика снимается для одного входа ЛЭ (для определенности обозначим его через ), когда остальные подключены к логической единице.

1. Пусть . При этом транзистор со входом в составе МЭТ будет находиться в режиме насыщения и входной ток будет равен:

Это значение соответствует режиму уровня логической единицы на выходе.

2. Теперь будем постепенно увеличивать до величины . (т.е. до тех пор пока ЛЭ находится в режиме ).

Входной ток при этом будет уменьшаться по линейному закону при увеличении напряжения на входе:

3. При достижении величины и дальнейшем росте начинают открываться БЭ переходы транзисторов Т₁ и Т₃. И закрываться БЭ переход Т₀. В этом режиме наблюдается крутой рост характеристики, и входной ток стремится к нулю. При этом середина крутого участка соответствует точке .

4. При достижении значения МЭТ переходит в инверсный режим:

Выходная характеристика ТТЛ. Выходной характеристикой называют зависимость выходного тока от выходного напряжения ЛЭ.

Прежде чем переходить непосредственно к расчету выходной характеристики, введем определение теоретической и технической границы насыщения.

Вспомним, что условием насыщения транзистора является неравенство . На практике, например при выполнении лабораторных работ пользуются условием , т.е. . Это условие называют теоретической границей насыщения. Фактически на этой границе транзистор работает в активном режиме и входит в режим насыщения при . В связи с этим вводят понятие технической границы насыщения: .

Выходная характеристика открытого ТТЛ ЛЭ строится на основании эквивалентной схемы:

Из схемы видно, что она является выходной характеристикой транзистора Т₃, в базу которого втекает ток .

Выходная характеристика закрытого ТТЛ ЛЭ строится на основании двух эквивалентных схем: для активного и насыщенного режима транзистора Т₂.

а) Активный режим Т2	б) Режим насыщения Т2

Анализ выходных характеристик проведем при следующих допущения:

• Падение напряжение на переходе БЭ транзистора Т₂, работающего в активном режиме, так же как и напряжение на диоде, не зависит от тока и равно 0.7В;

• В качестве границы насыщения будем использовать техническую границу вместо теоретической;

• Коэффициент усиления по току в схеме с ОБ не зависит от величины тока эмиттера.

Для схемы, (а) можно записать соотношения:

;

Напряжение на базе транзистора Т₂:

;

Тогда выходное напряжение ТТЛ ЛЭ:

;

Выходное сопротивление схемы в этом случае:

;

Определим границу технического насыщения транзистора Т₂:

Отсюда получим:

Для насыщенного режима Т₂ (схема (б)) запишем соотношения:

Выходной ток тогда буде равен:

Выходное сопротивление:

Изобразим выходные характеристики и отметим характерные участки:

1. Влияние диода, образованного коллектором Т₃ и подложкой;

2. Транзистор Т₃ в инверсном режиме;

3. Транзистор Т₃ в режиме насыщения;

4. Транзистор Т₃ в активном режиме;

5. Транзистор Т₂ в режиме отсечки;

6. Транзистор Т₂ в активном режиме;

7. Транзистор Т₂ в режиме насыщения.

Эти характеристики на участке отрицательных выходных напряжений определяются шунтирующим паразитным диодом коллектор-подложка транзистора Т₃.

7