ЛР 12 ТТЛ

усиления напряжения сложного инвертора достигает максимального значения.

В этом режиме между шиной питания и шиной “земля” по цепи резистор R3 - транзистор VT3 – диод VD – транзистор VT4 замыкается сквозной ток I . Для его ограничения и снижения потребляемой мощности служит резистор R3.

Когда входное напряжение достигает значения

Uвх= U3= Uбэ2 + Uбэн4 – Uкн1

(точка 4 рис. 5,а), транзистор VT4 войдет в насыщение, и выходное напряжение установится равным Uкн4, что соответствует уровню логического нуля U0. При последующем увеличении Uвх транзистор VT2 входит в насыщение, а многоэмиттерный транзистор VT1 переходит в инверсный активный режим.

Передаточная характеристика позволяет рассчитать статическую помехоустойчивость ТТЛ инвертора. Принимая уровни входных напряжений в характерных точках 3 и 4 за пороговые напряжения U0п и U1п, выражения для определения напряжений отпирающей U0пом и запирающей U1пом статических помех можно записать в виде

U0пом = U0п - U0макс; U1пом = U1мин - U1п ,

где U 0макс – максимально допустимое значение напряжения логического 0; U 1мин - минимально допустимое значение напряжения логической 1. Повышенная помехоустойчивость ТТЛ элемента со сложным инвертором создается за счет последовательного соединения эмиттерных

переходов транзисторов VT2 и VT4.

U0пом = Uотп.Т4 + Uбэ2 - Uкн1 - U0макс

Помехоустойчивость ТТЛ инвертора зависит от параметров схемы, числа нагрузок, напряжения питания, температуры.

Передаточная характеристика рассмотренного ТТЛ элемента (рис. 5,а) имеет наклонный участок 2 – 3, что снижает напряжение логической 1 (Uвых3 = U1мин), и следовательно, снижает помехоустойчивость. В

современных схемах ТТЛ инверторов этот недостаток устранен за счет введения в эмиттерную цепь транзистора VT2 дополнительного транзистора VT5 (рис. 6). Это приводит к коррекции передаточной характеристики на участке 2 – 3 (см. штриховую линию на рис. 5,а).

Рис. 6. ТТЛ элемент с повышенной помехоустойчивостью

По передаточной характеристике логического элемента можно определить следующие статические параметры:

−Напряжение логического нуля на выходе элемента U0вых определяется в точке ПХ, соответствующей Uвх= U1вх.мин = U1вых.мин - U1пом = 2,4-0,4 =2,0 В.

−Напряжение логической 1 на выходе U1вых определяется в точке с

абсциссой Uвх= U0вх.макс = U0вых.макс + U0пом = 0,4 +0,4 =0,8 В.

−Напряжение переключения Uпер логического элемента по ПХ точно измерить весьма сложно. Однако приближенно это можно сделать просто в точке пересечения ПХ с линией равной передачи Uвых = Uвх. Такой способ дает достаточную для инженерной практики точность в определении Uпер.

Входная характеристика Iвх(Uвх).

При входном сигнале Uвх=0 входной ток логического нуля I 0вх проходит через открытый эмиттерный переход транзистора VT1 и имеет , таким образом, вытекающее, отрицательное для входного тока направление (рис.5,б). Увеличение входного напряжения Uвх вызовет уменьшение входного тока, и наклон вольтамперной характеристики на участке I пойдет под углом, определяемым величиной 1/R1, где R1 – сопротивление в цепи базы VT1 (рис.4).

На этом участке ток базы Iб1 транзистора VT1 замыкается через открытый эмиттерный переход. Когда входное напряжение достигнет уровня

транзистор VT1 перейдет в инверсный активный режим. Входной ток при этом изменит направление на “втекающее”, положительное для входного тока, и станет равным:

Iвх = I 1вх = βi Iб1, где I б1 = (Еп – Uбк1 – Uбэн2 – Uбэн3 )/R1,

βi – инверсный коэффициент передачи тока базы.

Коллекторный ток VT1 установится равным Iк1 = Iб2 = (1+βi) Iб1, так как в инверсном включении коллектор выполняет роль эмиттера, поэтому связь между током базы VT1 и током коллектора выражается через коэффициент

1+βi. Степень насыщения транзистора VT2 равна:

Sбк = (Iб2 – Iкн2)/Iкн2.

По входной характеристике можно определить:

−напряжение U1п в точке изменения знака входного тока Iвх = 0.

−ток I 0вх определяется в точке с абсциссой Uвх = U0вх макс = 0,8 В,

−ток I1вх определяется в точке с абсциссой Uвх = U1вх мин = 2,0 В.

Характеристика тока цепи питания : Iп(Uвх)

Характеристика Iп(Uвх) приведена на рис. 5,в. Она имеет три характерные области: участки, соответствующие статическим режимам элемента, и участок резкого изменения (скачка) тока в режиме переключения.

По характеристике можно определить статические параметры элемента. Напряжение переключения Uпер измеряется как абсцисса “пика” тока питания Iп макс. Значения I0п и I1п измеряются в точках с абсциссами

U0вх макс и U1вх мин.

Мощности P0п и P1п, потребляемые в статических состояниях, и средняя статическая мощность Pп ср определяются по формулам:

расходуемую на перезаряд паразитных емкостей и емкости нагрузки, а также учитывать сквозной ток в выходном каскаде. Эта мощность увеличивается с ростом частоты и на достаточно больших частотах сравнима со статической мощностью.

Выходные характеристики Uвых(Iн)

Выходная характеристика в состоянии логического нуля на выходе представляет собой зависимость напряжения U0вых от тока нагрузки (рис.7). Считая, что нагрузкой ТТЛ инвертора являются n входов аналогичных ТТЛ элементов, ток нагрузки будет равен Iкн3 = n I 0вх , где I 0вх – входной ток логического нуля нагрузочного инвертора, значение которого определяется по формуле:

I0вх = (Еп – Uбэн – U0)/R1.

Рис.7. Выходные характеристики схемы ТТЛ в выключенном

ивключенном состояниях

Сувеличением тока нагрузки Iн до значения Iн макс условие насыщения выходного транзистора VT4 Iб4 > Iкн4/β4 нарушается, и транзистор из насыщения переходит в активный режим. При этом уровень логического нуля возрастает:

U 0 = Uкн0 + n I 0вх rкп ,

где Uкн0 = Uкн4 при Iн = 0 , rкп – объемное сопротивление полупроводника коллектора VT4 , и может превысить максимальное значение U0макс.

Выходная характеристика в состоянии логической 1 на выходе (рис. 7) представляет собой зависимость выходного напряжения U1вых от тока нагрузки и аналитически описывается следующим выражением:

U1вых = Еп – Uбэн – Uд пр - Iн/(1+β3).

Если же транзистор VT3 входит в насыщение , то

U1вых = Еп - Iн(rд пр + (R2 R3).

Сочетание каскадов с общим эмиттером (VT4) и эмиттерного повторителя (VT3) позволяет получить малые выходные сопротивления как во включенном (состояние логического нуля) R0вых = rкн3 , так и в выключенном (логическая 1) состояниях : R1вых = rэ4 + rд пр + (R2 + rб4)/( 1+β3) , когда транзистор VT3 находится в активном режиме. В случае режима насыщения VT3 выходное сопротивление ТТЛ инвертора равно:

R1вых = rд пр + (R2 || R3).

Выходные характеристики позволяют определить уровни выходного напряжения при заданном значении выходного тока в состояниях логического нуля и логической единицы на входе инвертора. Значение U0вых определяется при I 0вых = 10I 0вх мин по выходной характеристике для состояния логического нуля на выходе. Значение U 1вых определяется при I 1вых макс = 10I 1вх макс по выходной характеристике для состояния логической единицы на выходе.

Значения I.0вх. мин и I.1вх. макс для элементов серии 155 не превышают соответственно 1,6 мА и 40 мкА.

Контрольные вопросы и задачи

1.Докажите, что для схемы ТТЛ (рис. 4) наклон передаточной характеристики на участке II (см. рис. 5,а) определяется отношением сопротивлений резисторов R2 /R4 .

2.Доказать, что диод VD в схеме ТТЛ со сложным инвертором (рис. 4 и 5) служит для запирания транзистора VT3 при включенном состоянии схемы.

3.Покажите, что максимальное значение логической единицы в схеме ТТЛ со сложным инвертором (рис. 4 и 5) примерно равно 3,6В.

4.Рассмотрите подробно характер изменения зависимости Iпит(Uвх) на участке I и II (рис.5,в) для схемы ТТЛ со сложным инвертором (рис. 4) и схемы с повышенной помехоустойчивостью (рис.6).

5.Что делать с “лишними” входами схемы ТТЛ? Почему неиспользуемые входы схемы ТТЛ нельзя оставлять в подвешенном состоянии?

6.Почему выходы схемы ТТЛ (рис. 6) нельзя подключать к общей линии? Какие схемы ТТЛ применяют для подключения к общей линии?

7.На практике на каждый корпус логической микросхемы ТТЛ типа навешивают керамический конденсатор С емкостью 100нФ, подключая его между выводами “питание” и “общий”. Зачем?

8.В схеме ТТЛ со сложным инвертором (рис. 6), нагруженной на 10 таких же схем, определить Рср - среднюю мощность потребления от источника питания. Параметры элементов ТТЛ схемы: R1=4кОм, R2=2.4кОм, R3=130Ом, R4=1.6кОм, R5=4кОм; параметры транзисторов: Uбн=0.7В,

Uкн=0.1В, Uбк1=0.6В, βi1=0.01.

9.ТТЛ элемент со сложным инвертором (рис. 6) нагружен на 10 аналогичных схем. Определить минимально допустимое значение коэффициента β для выходного транзистора VТ4. Параметры элементов ТТЛ схемы: R1=4кОм, R2=2.4кОм, R3=130Ом, R4=1.6кОм, R5=4кОм. Параметры транзисторов: Uбн=0.7В, Uкн=0.1В, Uбк1=0.6В.

10.В справочнике на интегральные микросхемы для ТТЛ ИМС разных серий указаны следующие параметры:

Сколько схем 155 серии можно подключить к выходу ТТЛ элемента другой серии?

6. Литература

1.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для ВУЗов. / 2-ое изд. -М.: Лаборатория Базовых Знаний. 2001. -488с.

2.Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. /Под ред. Якубовского С.В. -М.: Радио и связь. -1989.

3.Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. 2-ое изд., испр. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1111) -Челябинск: Металлургия. -1989.

4.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов /Под ред. О.П.Глудкина. –

М.: Горячая линия – Телеком, 2000. –768с.: ил. (О-60 УДК 621.396.6)

5.Кобяк А.Т., Новикова Н.Р., Паротькин В.И., Титов А.А. Применение системы Design Lab 8.0 в курсах ТОЭ и электроники: Метод. пособие.

−М.: Издательство МЭИ, 2001. −128с. (УДК 621.3 П−764)