Экзамен микроэлектроника / Лекции / 8. Динамика работы ТТЛ

Статический режим ТТЛ. Расчет коэффициента разветвления

Коэффициент разветвления по выходу логического элемента является одним из важнейших параметров ТТЛ схем. Он зависит от усилительных свойств транзисторов, максимально допустимого тока коллектора и логических уровней схемы. Соотношения, которые будут получены в процессе анализа, можно использовать при выполнении КП или КР.

Расчетная схема для определения представлена на рисунке. При выводе соотношений будем полагать, что напряжение на переходе БЭ и не зависит от тока, а .

Для тока базы МЭТ открытого элемента можно записать:

где

Очевидными будут следующие соотношения:

Где

– коэффициент объединения по входу управляющего элемента – МЭТ рассматриваемого ТТЛ.

;

;

Далее определяем ток базы насыщенного транзистора :

;

Теперь найдем ток коллектора насыщенного , который будет равен току нагрузки, который в свою очередь равен сумме токов управляемых элементов (нагрузок):

;

где – коэффициент объединения по входу управляемых ТТЛ-элементов. В общем случае . Из формулы для тока базы насыщения и схемы видно, что в худшем случае , а . Теперь запишем выражение для тока коллектора насыщения:

Входной ток элемента МЭТ для случая, когда на входов подается логическая единица, а на оставшемся логический ноль, мы вычислили ранее при анализе режимов МЭТ. Поэтому можно записать далее:

Коэффициент разветвления определим из условия насыщения транзистора :

;

Теперь подставим в это условие формулы для токов базы и коллектора насыщения и выразим коэффициент разветвления:

Динамика работы ТТЛ при емкостной нагрузке

Рассмотрим переходные процессы в ТТЛ схеме при большой емкостной нагрузке (>100pF).

Анализ будем проводить при допущении идеальных частотных свойств элементов ТТЛ.

Резистор иногда включают для повышения помехоустойчивости в закрытом состоянии (уровень логической единицы на выходе при наличии сопротивления повышается до 5В). Рассмотрим случаи наличия и отсутствия сопротивления .

1. Рассмотрим этап включения ТТЛ при отсутствии резистора. Емкость нагрузки при закрытом элементе была заряжена до напряжения . В момент времени в базе транзистора начинает течь ток базы насыщения , определяемый ранее полученным выражением. Поскольку емкость заряжена до напряжения 3.5В, транзистор работает в активном режиме при токе коллектора . В процессе перезаряда конденсатора значение этого тока практически не меняется, поэтому для данного этапа справедлива следующая эквивалентная схема:

Момент времени когда напряжение на емкости достигает значения уровня определяется выражением:

,

Где . Например, при величине емкости и токе базы насыщения , величина

2. Рассмотрим теперь этап включения ТТЛ при наличии резистора . Емкость нагрузки заряжена до уровня . В момент времени появляется ток коллектора . В этом случае будет справедлива схема замещения:

В этой схеме емкость перезаряжается с постоянной времени от уровня до уровня . При токе базы 2.6мА и величине сопротивления . Для данной цепи время, за которое емкость перезарядится до уровня напряжения составит

.

3. Рассмотрим процесс выключения ТТЛ при отсутствии резистора . Емкость нагрузки была заряжена до напряжения при открытом ТТЛ элементе. В момент времени транзисторы и закроются, а транзистор перейдет в режим насыщения. Расчетная схема для данного режима имеет вид:

Если принять

То схему можно упростить:

Данная схема будет работать до тех пор, пока напряжение на емкости не достигнет некоторого граничного значения (выходное сопротивление для насыщенного режима есть ), при котором транзистор достигнет границы насыщения.

Итак, емкость нагрузки начинает перезаряжаться с момента времени от уровня до уровня с постоянной времени . Тогда время достижения напряжения составит:

.

После достижения напряжения транзистор работает в активном режиме и расчетная схема приобретает вид (см. рис. справа):

Если принять и (выходное сопротивление схемы при активном режиме транзистора 2), то можно упростить схему к виду (слева)

Далее емкость нагрузки продолжает заряжаться до уровня уже с постоянной времени .

4. Рассмотрим теперь выключение схемы при наличии резистора . Емкость заряжена до уровня логического нуля . В момент времени транзисторы и закроются, а перейдет в режим насыщения. Для этого режима расчетная схема примет вид, как показано на рисунке ниже справа. Слева показан её упрощенный вид для эквивалентных значений ЭДС и сопротивлений цепи:

Данная схема работает до тех пор, пока транзистор не подойдет к границе насыщения, т.е. напряжение на выходе не станет равным . Промежуток времени, за который емкость перезарядится от уровня 0,3В до уровня с постоянной времени при напряжении установившегося режима можно рассчитать следующим образом:

По достижении напряжения расчетная схема, как и в предыдущем случае, приобретает вид, как показано ниже:

Данная схема работает до тех пор, пока напряжение на выходе не достигнет значения 3.6В, при котором транзистор переходит в режим отсечки (см. выходные характеристики, участки 5-7).

Определим момент времени достижения уровня , для схемы с постоянной времени .

При достижении уровня 3.6В транзистор перейдет в режим отсечки, а расчетная схема примет вид:

После момента емкость нагрузки продолжает заряжаться уже до уровня 5В с постоянной времени .

11