Экзамен микроэлектроника / Лекции / 6. ТТЛ

Транзисторно-Транзисторная Логика (ТТЛ)

Схема ТТЛ по своему принципу работы схожа с ДТЛ и по сути является её продолжением.

Базовый ЛЭ ТТЛ.

Базовый элемент ТТЛ-типа представляет собой структуру, изображенную на рис.

Эквивалент на раздельных транзисторах можно изобразить в виде схемы:

Использование раздельных транзисторов в ТТЛ также возможно. Это обладает рядом преимуществ, поскольку исключает некоторые нежелательные эффекты, свойственные МЭТ.

Данный тип логики применяется в современных интегральных микросхемах, поэтому рассмотрим его подробнее. Начнем анализ ТТЛ-схем с качественного описания принципа его работы.

Итак, изображенная ТТЛ-схема реализует логическую функцию 2И-НЕ, как и рассмотренная ранее ДТЛ-схема. Функцию логического умножения реализует многоэмиттерный транзистор (МЭТ) или транзисторы и , а транзистор осуществляет инверсию. Для описания работы схемы воспользуемся схемой с раздельными транзисторами, у которых объединены базы и коллекторы.

Пусть в исходном состоянии напряжения на логических входах равны нулю: . Тогда эмиттеры транзисторов и находятся под нулевым напряжением и их база-эмиттерные переходы смещены в прямом направлении и ток поровну распределяется между базами транзисторов. В этом случае входные транзисторы работают как транзисторный ключ с открытым коллектором (). Выходное напряжение такого ключа определяется из формулы для при условии .

При

Это напряжение приложено к выходному транзистору и, поскольку оно не превышает , то транзистор надежно заперт.

В этом случае выходное напряжение принимает значение, равное напряжению питания, т.е. уровень логической единицы равен:

Пусть теперь на вход А подано напряжение . Поскольку напряжение на втором транзисторе осталось равным нулю, то он по-прежнему открыт, а значит, напряжение на базе по-прежнему близко к нулю. Транзистор оказался включенным в инверсном активном режиме, так как к эмиттеру приложено напряжение , близкое к напряжению питания, коллектор под потенциалом, близким к нулю, а база под потенциалом прямосмещенного p-n перехода транзистора . При этом такое включение приводит к небольшому возрастанию напряжения на базе , примерно на .

Никаких других изменений в схеме не происходит и на выходе по-прежнему имеем .

Теперь подадим логическую единицу на оба входа схемы. В этом случае оба транзистора окажутся в инверсном активном режиме. И ток , усиленный в раз, втекает в базу транзистора . Последний при этом открывается. Потенциал базы становится , а потенциал коллектора соответствует напряжению логического нуля:

Таким образом, уровень выходного напряжения изменяется с до только при поступлении на все логические входы. Другими словами, схема ТТЛ реализует логическую функцию И-НЕ.

Отметим, что ТТЛ схемам свойственен большой логический перепад . Причем в реальной последовательной цепочке, где каждый ЛЭ связан с предыдущим, он будет таким же.

Усиление тока в раз является одной из основных проблем ТТЛ-элементов, т.к. приращение тока приводит к значительному возрастанию входного тока при уровне на входе. Поэтому прим разработке ТТЛ стремятся максимально снизить инверсный коэффициент усиления транзисторов входного каскада .

Используя раздельные транзисторы с одним эмиттером можно реализовать также функцию ИЛИ-НЕ, см. рис.

ТТЛ схемы имеют два важных параметра:

• Коэффициент объединения по входу, , отражающий количество число входов, по которым реализуется логическая функция;

• Коэффициент разветвления по выходу, , отражающий максимальное количество нагрузок, которые можно подключить к выходу ЛЭ, т.е. нагрузочную способность.

Рассмотрим теперь что представляет собой многоэмиттерный транзистор в составе ТТЛ.

Многоэмиттерный транзистор.

МЭТ – специфический компонент ИС ТТЛ типа, который заменяет собой диодную сборку ДТЛ и в настоящее время не имеет дискретных аналогов.

МЭТ представляет собой совокупность транзисторных структур, имеющих общую базу и общий коллектор. Активные базовые области этих транзисторных структур, лежащие под эмиттерными переходами, соединены пассивными областями. Поэтому прямая связь между эмиттерами МЭТ через соединяющий их участок пассивной базы пренебрежимо мала благодаря конструктивным и технологическим особенностям.

На рисунке слева – реализация диодов ТТЛ на раздельный транзисторах, справа – на МЭТ.

Рассмотрим в составе МЭТ транзистор , где – любой из эмиттеров МЭТ. В составе элемента ТТЛ этот транзистор может работать любо в инверсном активном режиме, либо в режиме насыщения при токе коллектора равном , который в практических расчетах принимают равным нулю. Таким образом, очевидно, что коллекторный переход транзистора всегда остается смещенным в прямом направлении. Поскольку в режиме насыщения весь коллекторный переход смещен в прямом направлении равномерно, то из коллектора происходит инжекция электронов в базы всех транзисторных структур, в том числе и тех, эмиттерные переходы которых смещены в обратном направлении. Эти эмиттерные переходы собирают электроны, инжектированные из коллекторного перехода, за счет чего появляются токи во входных цепях, подключенных к уровню логической единицы. Таким образом, просматривается непрямая связь между эмиттерами МЭТ.

Запишем основные соотношения для МЭТ. На рисунке изображен транзистор в инверсном активном режиме.

– произвольное низкое напряжение на коллекторе МЭТ, смещающее база-коллектор в прямом направлении;

– произвольное высокое напряжение, смещающее переход эмиттер-база в обратном направлении.

Для приведенной схемы справедливы следующие соотношения:

Где – инверсный коэффициент усиления по току для одного эмиттера, когда другие отключены. Если на всех эмиттерах действует напряжение , то для каждого эмиттера справедливо соотношение (1), причем уровни могут подаваться как от одного, так и от различных источников. Соотношение (2) для эмиттеров:

будет справедливо в любом случае.

Если все эмиттеры подключены к одному источнику (см. рис.), то для входного тока будет справедливо записать:

В случае, когда на одном из эмиттеров действует напряжение , смещающее соответствующий переход в прямом направлении, то справедливо следующее соотношение для обратно смещённого перехода:

(3)

Здесь – коэффициент усиления по току для одного эмиттера (при одном прямосмещенном переходе Э-Б), когда все остальные – отключены.

Для этого случая также справедливо соотношение:

.

Если на входах МЭТ действуют (см. рис.) то для каждого из эмиттеров справедливо соотношение (3), а также следующее соотношение:

Если все входов подключены к одному источнику (см. рис.), то можно записать:

В том случае, когда прямая связь между эмиттерами мала, можно считать .

ТТЛ со сложным инвертором.

Как уже упоминалось ранее, одним из недостатков ТТЛ является значительных входной ток при напряжении логической единицы на входе. Другим существенным недостатком ТТЛ является её малая нагрузочная способность. Это связано с тем, что при подключении нескольких нагрузок возрастает суммарная нагрузочная емкость (см. первый рисунок, штриховая линия) и постоянная времени заряда . Поэтому, для ускорения заряда емкости и повышения нагрузочной способности вместо простого инвертора на выходе используется сложный инвертор (СИ), состоящий из трех транзисторов и диода (см. рис.). Такую схему принято обозначать как ТТЛ-3.

В сложном инверторе транзисторы и включены по схеме Дарлингтона; поэтому их можно рассматривать как один – они вместе запираются и вместе отпираются. Наличие резистора не принципиально – он ответвляет часть тока , что позволяет уменьшить ток базы , а значит и степень насыщения транзистора . Совокупность транзисторов и можно рассматривать как двухтактный выходной каскад в котором транзисторы работают поочередно: заряжает конденсатор (ток ), а – разряжает его (ток ).

Диод обеспечивает запирание транзистора при открытом и насыщенном , а резистор ограничивает сквозной ток, возникающий когда , а ещё не успел закрыться.

Поясним, каким образом диод обеспечивает надежное запирание транзистора . Предположим на входи СИ действует напряжение логической единицы. В этом случае транзисторы и открыты и насыщены, т.е. напряжение на переходах база-эмиттер составит . Напряжение на коллекторе будет равно:

Напряжение на коллекторе равно:

Положим . Тогда разность указанных коллекторных потенциалов и будет определять напряжение на переходе Б-Э транзистора :

При этом для отпирания транзистора эта разница должна быть не менее чем . При отсутствии диода транзистор находился бы в насыщенном состоянии, и правильная работа СИ была бы невозможна.

В схеме СИ сопротивление может быть очень малым, что обеспечивает сравнительно быстрый заряд нагрузочной емкости.

Дополнительная литература для самостоятельного изучения:

• Преснухин Л.Н. Воробъев Н.В. Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств.

10