2.4 Схемотехника и принцип действия простейшего ттл вентиля.

П

ростейший ТТЛ вентиль представляет собой инвертор, построенный по схеме транзисторного ключа. Как уже отмечалось, превратить инвертор в многовходовый логический элемент можно, добавив во входную цепь соответствующие узлы на полупроводниковых диодах. Логические элементы ТТЛ типа получили свое название -транзисторно-транзисторная логика в связи с применением во входной цепи не набора диодов, а многоэмиттерного транзистора (МЭТ).

Он имеет одну базу, один коллектор и несколько, обычно до восьми эмиттеров. В принципе переходы база-эмиттера представляют собой набор диодов с общим анодом. На схемах многоэмиттерный транзистор обозначаются таким образом. Его можно создать путем электрического соединения обычных транзисторов, но одно из достоинств МЭТ в том, что технологический процесс его изготовления точно такой же, как и для одноэмиттерного.

Простейший вариант ТТЛ логического элемента - инвертор обрабатывает лишь одну переменную и на входе такого устройства устанавливается одноэмиттерный транзистор. Схема инвертора выглядит следующим образом.

Для цифровых элементов анализ передаточной характеристики удобно начинать с предположения, что вход вентиля ни к чему не подключен «висит в воздухе».

В

данной ситуации переход база – коллектор входного транзистора ведет себя как открытый диод и в базу выходного транзистораVT1 будет втекать ток, который задается таким, чтобы открылся и вошел в состояние насыщения транзисторVT1. При этом выходное напряжение вентиля будет составлять порядка 0,1÷0,3 вольта, что соответствует состоянию логического нуля.

Потенциал точки «а» равен разности между напряжением источника питания и падением напряжения на резисторе R за счет протекания по нему тока базы, то есть U_a=E - I_бR. С другой стороны его можно определить, подсчитав сумму падений напряжений на открытых переходах база-коллектор и база-эмиттер соответствующих транзисторов, которые для кремниевых структур составляют примерно 0,7 вольта.

Следовательно, в данном состоянии потенциал точки «а» окажется равным порядка 1,4 вольта. Отсюда можно определить и потенциал входного, «висящего в воздухе» эмиттера, который будет в пределах 0,7 вольта, так как примерно такое же напряжение «осядет» на переходе база-эмиттер входного транзистора. Очевидно аналогичная ситуация будет наблюдаться, если на вход нашего логического элемента напряжение величиной 0,7 вольта подать извне.

Т

аким образом на передаточной характеристике можно отметить точкуU_вх=0,7 вольта, которой будет соответствовать выходное напряжение логического нуля. В данной ситуации переход база-эмиттер входного транзистора не функционирует, то есть ведет себя как запертый.

Аналогичная картина будет наблюдаться, если на вход подать положительное напряжение, большее, чем 0,7 вольта, так как в этом случае переход эмиттер-база МЭТ сместится в обратном направлении, то есть окажется запертым. Таким образом, при U_вх 0,7 вольта, на выходе вентиля будет присутствовать сигнал логического нуля.

Р

ассмотрим ситуацию, когда эмиттер входного транзистора соединен с корпусом, то есть на вход вентиля подан сигнал логического нуля в виде нулевого уровня напряжения. Для удобства анализа, схему можно представить следующим образом.

В данном случае ток потечет через резистор R в базовую цепь входного транзистора, он откроется и войдет в состояние насыщения. Разность потенциалов между его коллектором и эмиттером и соответственно базой и эмиттером выходного транзистора станет равной порядка 0,2 вольта. Это вызовет запирание VT1, переход его в состояние отсечки и появление на выходе устройства напряжения, близкого к уровню источника питания, что соответствует сигналу логической единицы.

Очевидно данная ситуация будет сохраняться и при увеличении входного сигнала вплоть до порога переключения вентиля, который составляет около 0,7 вольта. При приближении к нему выходной транзистор выйдет из состояния отсечки, перейдет в активный режим и, наконец в состояние насыщения. Ширина зоны переключения будет определяться коэффициентом усиления VT1 по току и величиной сопротивления его коллекторного резистора. В реальных схемах она не превышает долей вольта.

Из анализа передаточной характеристики можно сделать вывод, что вентили такой структуры могут непосредственно стыковаться друг с другом. Это объясняется тем, что оказывается меньше напряжения 0,6÷0,7В (), воспринимаемого как сигнал логического нуля, а- больше минимального значения сигнала логической единицы.

Еще одной, достаточно важной характеристикой любого вентиля является входная, отражающая зависимость токов, протекающих по его входным цепям от приложенного напряжения. Для рассматриваемого вентиля она имеет следующий вид.

Если входное напряжение равно нулю, то через резисторR и входную цепь вентиля протекает ток , причем он как бы вытекает из схемы, поэтому условно этому току присваивается отрицательное направление. При положительном входном напряжении, отличном от нуля ток будет определяться соотношениеми с ростом напряжения вплоть до значениястанет уменьшаться. Далее начнется процесс переключения многоэмиттерного транзистора и при величине входного напряжения 0,7 вольта входной ток обратится в нуль, так как оно примет значение потенциала «висящего в воздухе» входа.

При дальнейшем возрастании входного напряжения переход база-эмиттер этого транзистора окажется запертым и через входную цепь вентиля начнет протекать небольшой по величине обратный ток этого перехода, причем его направление будет противоположным рассмотренному для предыдущей ситуации.

При входном напряжении порядка + 4÷6 вольт возможен электрический пробой соответствующего перехода, что вызовет выход вентиля из строя. Так как обычно максимальное значение входного сигнала определяется напряжением источника питания, то данное обстоятельство приводит к необходимости ограничения его величины на уровне +4÷5 вольт.

На вход рассматриваемого логического элемента можно подавать и напряжение отрицательной полярности. В этом случае с его ростом будет увеличиваться входной ток, но вентиль сохранит состояние логического нуля. Однако при отрицательных напряжениях порядка -2÷3 вольта может произойти пробой паразитных p-n структур, образующихся в ходе технологического процесса изготовлении логического элемента, что повлечет выход его из строя.

Рассмотрим вопросы, связанные с нагрузочными характеристиками вентиля. Условно структуру его нагруженного выходного каскада в состоянии логической единицы можно представить следующим образом.

При подключении нагрузки (R_н) между корпусом и выходом вентиля, ее ток будет протекать через коллекторный резистор. Поэтому выходное напряжение с ростом тока нагрузки станет уменьшаться на величину падения напряжения на резисторе R_к, что следует из соотношения . Таким образом, зависимость уровня логической единицы от тока нагрузки будет иметь падающий характер и при некоторой величине этого токавыходной сигнал станет меньше минимально допустимого входного напряжения логической единицы для подключаемых вентилей, что вызовет нарушение режима их функционирования.

Всостоянии логического нуля по коллекторной цепи выходного транзистора протекает как ток резистораR_к, так и токи входных каскадов соответствующих вентилей, которые можно считать нагрузкой с эквивалентным сопротивлением .

К

ак уже отмечалось, открытый выходной транзистор вводится в режим насыщения для того, чтобы обеспечить малый уровень сигнала логического нуля. С этой целью в его базовую цепь задается ток, больший, чем требуется для полного открывания транзистора, но максимальный ток коллектора цепи без дополнительной нагрузки не сможет превысить величину.

При коэффициенте усиления транзистора  для обеспечения такого тока коллектора потребуется базовый ток примерно равный . При токе базытранзистор сильнее открыться не сможет, но останется в таком состоянии и при наличии нагрузки в коллекторной цепи.

Ее подключение вызовет появление дополнительного тока и суммарный ток коллектора станет равным . В этом случае для поддержания транзистора в открытом состоянии потребуется больший ток базы,то есть степень насыщенияуменьшится.

При некотором токе нагрузки I⁰_нmax транзистор выйдет из насыщения, и выходное напряжение может возрасти до значения превышающего допустимый минимальный входной уровень логического нуля. Это вызовет нарушение режима работы вентилей, подключенных к выходу данного логического элемента..

Отсюда следует, что если , то транзистор насыщен и, если же, то транзистор будет открыт, но.

Из анализа рассмотренной ситуации видно, что при подключении к вентилю аналогичных устройств, по его выходной цепи будут протекать дополнительные токи. Их величины зависят от того, в каком состоянии находится вентиль и могут существенно отличаться друг от друга. Для ТТЛ логических элементов допустимый ток нагрузки в состоянии логического нуля всегда намного больше, для состояния логической единицы. Это объясняется существенной разницей в сопротивлениях открытого и насыщенного транзистора и резистора в его коллекторной цепи.

Сопоставляя из входной и выходной характеристик вентиля конкретные значения входных и выходных токов, можно рассчитать его коэффициенты разветвления как для состояния логического нуля, так и логической единицы.

Для анализа энергетических характеристик требуется знать токи потребления вентиля в обоих состояниях, так как напряжение питания неизменно. В рассматриваемой схеме ток потребления в состоянии логического нуля будет равен , а в состоянии логической единицы -. Последняя величина соответствует входному току логического нуля, так как в этой ситуации только он и потребляется от источника питания.

В

опросы быстродействия логических элементов удобно рассматривать, представляя. транзистор выходного каскада в виде переключателя, который либо замкнут на корпус, или разомкнут. При анализе задержек переключения следует учитывать наличие паразитных емкостей, имеющихся как на выходе самого вентиля, так и во внешних цепях. Последние складываются из входных емкостей подключаемых каскадов, емкости соединительных проводников и т.п.

П

усть на вход первого логического элемента поступает прямоугольный положительный импульс. Сигнал на его выходе будет соответствовать логической единице до тех пор, пока уровень выходного напряжения не станет меньше порога срабатывания.

При включении инвертора это происходит достаточно быстро, так как ранее заряженная емкость нагрузки разряжается через малое сопротивление открытого и насыщенного выходного транзистора.

При выключении вентиля, то есть переходе в состояние логической единицы, потребуется некоторое время (t_расс) на вывод выходного транзистора из состояния насыщения и его запирание. После этого начнется процесс заряда паразитной емкости нагрузки через коллекторный резистор, сопротивление которого обычно много больше сопротивления насыщенного транзистора. В данной ситуации выходное напряжение вентиля достигнет порога срабатывания второго лишь через время с момента начала процесса переключения.Таким образом, логические элементы, подключаемые к выходам аналогичных устройств будут срабатывать с задержками.

Из приведенных рассуждений следует, что в рассмотренном инверторе время включения будет всегда меньше времени выключения. Кроме того задержки будут возрастать с увеличением количества вентилей, нагружающих источник управляющего сигнала. Из-за наличия этих, а также ряда других недостатков, вентили рассмотренной конфигурации не нашли практического применения. При сопротивлении коллекторного резистора порядка килом, время включения ненагруженного логического элемента данной структуры составляет порядка 20 нС, а время выключения около 200 нС.

2.5 ТТЛ вентиль с активным выходным каскадом.

Для уменьшения задержек переключения, то есть повышения быстродействия, необходимо обеспечить быстрый вывод излишков неосновных носителей из базы насыщенного транзистора и ускорить процессы перезаряда соответствующих емкостей.

Первая задача в ТТЛ вентилях частично решается за счет использования многоэмиттерного транзистора, коллекторный переход которого открыт при любом уровне входного управляющего сигнала. Этим обеспечивает относительно низкоомный путь вывода неосновных носителей из базы закрывающегося выходного транзистора.

Так как на величины паразитных емкостей влиять очень сложно, то ускорить процессы их перезаряда можно, лишь уменьшив сопротивление коллекторного и других резисторов схемы. Однако это приведет к росту потребляемой мощности и соответственно нагреву элементов. В частности в состоянии логического нуля через резистор R_к станет протекать больший ток.

Частично

задача повышения быстродействия решена в ТТЛ вентиле, с так называем активным или сложным выходным каскадом, принципиальная схема одного из вариантов которого выглядит следующим образом. Подобная конфигурация базового логического элемента, реализована в микросхемах фирмыTexas Instruments, и в их Российских аналогах.

На схеме приведены усредненные значения сопротивлений резисторов. В реальных условиях разброс их величин может достигать 60÷80% и, кроме того, свойства резисторов вентиля сильно зависят от температуры кристалла.

Напряжение источника питания ТТЛ логических элементов должно быть равно +5В±10%. Как уже отмечалось, это связано с невысокими пробивными напряжениями переходов база-эмиттера входного транзистора. Последнее обстоятельство объясняется тем, что в таких схемах применяют транзисторы с граничными частотами 3 и более ГГц, имеющими тонкий базовый слой.

Для анализа передаточной характеристики рассмотрим одновходовый логический элемент, представляющий собой инвертор.

Пусть вход схемы ни к чему не подключен, то есть на него не подается никаких сигналов. В этом случае переход коллектор-база многоэмиттерного транзистора сместится в прямом направлении и через резистор R в базу транзистора VT1 потечет ток, который вызовет его открывание и перевод в состояние насыщения.

Напряжение между эмиттером и базой VT1 будет порядка 0,7 вольта, а между коллектором и эмиттером – около 0,2 вольта. В эмиттерной цепи транзистора VT1 потечет ток, равный сумме базового и коллекторного. Часть его ответвится через резистор R_э1, а часть потечет в базу нижнего выходного транзистора VT3, вызовет его открывание и переход в насыщенное состояние. Напряжение на выходе вентиля при этом будет порядка 0,2 вольта, а падение напряжения между базой и эмиттером VT3 составит около 0,7 вольта.

Потенциал коллектора транзистора VT1 относительно общей шины окажется равным 0,9 вольта и разности потенциалов между базой верхнего выходного транзистора VT2 и выходом вентиля окажется недостаточно для открывания двух последовательно включенных кремниевых p-n переходов (база-эмиттер транзистора VT2 и диода VD1).

Вследствие этого транзистор VT2 будет заперт и ток через верхнее плечо выходного каскада не потечет. Если бы диод не был установлен, то вследствие приоткрывания VT2 через него и VT3 потек бы сквозной ток, вызывающий разогрев транзисторов и появление на выходе неопределенного уровня сигнала.

Потенциал базы многоэмиттерного транзистора можно определить, суммируя падения напряжения на трех последовательно соединенных открытых p-n переходах. Он составит примерно 2,1 вольта, а потенциал «висящего в воздухе» входа инвертора окажется равным порядка 1,4 вольта.

Очевидно, при подаче такого же напряжения на вход, ситуация не изменится и следовательно при U_вх=1,4В данный вентиль будет находиться в состоянии логического нуля. При этом через резистор R протекает ток порядка 0,8мА, ток, потребляемый всей схемой, составит около 3,4мА, а ток во входной цепи будет равен нулю.

С

ростом входного напряжения переход эмиттер-база многоэмиттерного транзистора окажется запертым и состояние схемы не изменится, что отражено на передаточной характеристике. Через обратно смещенный переход станет протекать небольшой по величине обратный ток, которыйI¹_вх, не превышающий десятков микроампер.

Если на вход схемы подать нулевой сигнал, то переход эмиттер-база многоэмиттерного транзистора откроется, и он войдет в состояние насыщения. Потенциал его базы станет равным 0,7 вольта, а потенциал коллектора около 0,1 вольта, чего недостаточно для открывания транзистора VT1. Совместно с ним будет заперт и нижний транзистор выходного каскада VT3, так как его база соединена с корпусом через резистор R_э1, по которому в данной ситуации ток не протекает.

В этом случае, выходной сигнал вентиля будет определяться состоянием верхнего плеча, представляющего собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT2, причем на его базу через резистор R_к1 поступит потенциал +5В от источника питания.

В

отсутствии нагрузки потенциал выхода меньше напряжения источника питания на сумму падений напряжений в цепи из двух последовательно соединенныхp-n переходов (база-эмиттер VT2 и диод). Он составит около 3,4÷3,6 вольта, что и определяет уровень логической единицы выходного сигнала такого ТТЛ вентиля.

В данном состоянии ток, потребляемый от источника питания, течет только по входной цепи вентиля (вытекает из нее) и имеет величину порядка 1,1мА. Таким образом, этим значением с одной стороны определяется ток потребления инвертора в состоянии логической единицы, а с другой стороны – это входной ток логического нуля – I⁰_вх. Он будет проходить и через выходные каскады аналогичных устройств.

При увеличении входного напряжения состояние логической единицы вентиля сохраняется до тех пор, пока транзистор VT1 остается закрытым, то есть потенциал его базы составляет менее 0,7 вольта. С ростом уровня входного сигнала, пока многоэмиттерный транзистор открыт, будут увеличиваться потенциалы коллектора и базы VT1.

При U_вх порядка 0,6 – 0,7 вольта напряжение на базе VT1 достигнет порога его открывания и транзистор перейдет в активный режим. Каскад на VT1 представляет собой усилитель в эмиттерной цепи которого установлено сопротивление R_э1, выполняющее роль элемента отрицательной обратной связи.

Так как номиналы коллекторного и эмиттерного резисторов близки, а переход эмиттер-база VT3 закрыт и не оказывает шунтирующего влияния, то коэффициент усиления этого каскада в данной ситуации примерно равен единице. Поэтому, при возрастании потенциала базы VT1, с такой же скоростью будет увеличиваться потенциал его эмиттера, падать напряжение на коллекторе и соответственно на выходе логического элемента.

При входном напряжении порядка 1,3 вольта потенциал базы транзистораVT3 достигнет уровня 0,7 вольта и его переход эмиттер – база начнет открываться. При этом резистор R_э1 окажется зашунтированным малым динамическим сопротивлением открытого p-n перехода эмиттер-база VT3, вследствие чего коэффициент усиления каскада на VT1 резко возрастет.

Дальнейшее увеличение входного сигнала на десятые доли вольта вызовет открывание нижнего плеча выходного каскада вентиля и закрывание верхнего, вследствие уменьшения управляющего потенциала его базы. При напряжении порядка 1,4 вольта инвертор перейдет в состояние логического нуля.

С ростом уровня управляющего сигнала входной ток сначала будет относительно медленно уменьшаться из-за увеличения потенциала базы многоэмиттерного транзистора, а затем скорость его изменения станет больше вследствие перехвата тока базой открывающегося транзистора VT1.

При поступлении на вход вентиля отрицательного напряжения схема будет находиться в состоянии логической единицы, так как многоэмиттерный транзистор в данной ситуации открыт и насыщен, как и при нулевом напряжении на входе. Однако, если величина отрицательного напряжения превысит 2 – 3В, то откроется p-n переход коллектор МЭТ – подложка интегральной схемы. Это вызовет резкое возрастание входного тока и может привести к выходу вентиля из строя.

Н

апряжение отрицательной полярности на входах логических элементов может возникать из-за переходных процессов при передаче управляющих сигналов. Чтобы повысить надежность работы вентиля в таких ситуациях, а также по ряду других причин, на всех его входах устанавливаются так называемые антизвонные диоды, которые не влияют на функционирование схемы, пока входные сигналы находятся в допустимом диапазоне.

Из передаточной характеристики следует, что входное напряжение с уровнем от 0 до1,3В воспринимается вентилем как логический нуль, а от 1,4В до 5В – как логическая единица, что позволяет сделать вывод о возможности непосредственной стыковки таких вентилей друг с другом, так как и.

Нагрузочная характеристика рассматриваемого ТТЛ логического элемента имеет стандартный вид. Когда вентиль находится в состоянии логического нуля, то с ростом тока нагрузки уменьшается степень насыщения транзистораVT3 и соответственно повышается его остаточное напряжение, то есть выходной уровень логического нуля.

В состоянии логической единицы уровень выходного сигнала с ростом тока нагрузки уменьшается в основном из-за увеличения падения напряжения на резисторе R_K2, установленном в коллекторной цепи верхнего транзистора выходного каскада.

С учетом возможного разброса параметров элементов и их изменений в диапазоне рабочих температур, который может достигать -60^о÷ +120^о, передаточная, входная и нагрузочная характеристики однотипных ТТЛ вентилей будут отличаться друг от друга.

Порог переключения может находиться в пределах 1÷1,7 вольта, уровень логической единицы занимает диапазон 2,8÷4 вольта, а логического нуля – 0,1÷0,4 вольта. Эти данные относятся к ненагруженному вентилю. Для обеспечения гарантий нормальной работы рассматриваемых ТТЛ логических элементов минимальный входной уровень логического нуля принимается равным 0,7 вольта, а логической единицы – 2,4 вольта.

А

налогичные требования предъявляются и к выходным сигналам, то есть гарантируется, что при отсутствии перегрузки вентиля по току для любых ситуаций, а.

Анализ зоны разброса выходной характеристики показывает, что уровень логической единицы не будет опускаться ниже минимального значения при, , а уровень логического нуля не будет превышен, если.

Аналогичные зоны разброса имеются и у входных токов. Однако максимальное значение входного тока логического нуля никогда не превысит 1,6 мА, а логической единицы – 0,04мА. Поэтому для логического элемента серии К155 в качестве параметров принимается, что: ,,,,,.

Отсюда можно определить коэффициенты разветвления такого вентиля. В состоянии логического нуля он получается равным 10, а при формировании на выходе сигнала логической единицы – 20. Однако, так как вентиль может находиться в любом из состояний, то при расчетах руководствуются меньшей из двух величин. В принципе вентиль может функционировать и при превышении предельных токов нагрузки, но при этом не гарантируется его надежная работа по управлению аналогичными устройствами.

Более крутой ход нагрузочной характеристики ТТЛ логического элемента в состоянии логической единицы объясняется падением напряжения при протекании тока по резистору R_K2, включенному в коллекторную цепь транзистора VT2. Его наличие приводит также к замедлению процесса заряда паразитных емкостей, связанных с нагрузкой, что увеличивает время выключения вентиля.

Гарантированное усредненное время включения ТТЛ логического элемента сери К155 составляет 15 нС, а время выключения – 20нС и это связано с влиянием R_K2, сопротивлением 130 Ом. Если бы его сопротивление составляло 1 Ком, то при практически таком же времени включения, время выключения оказалось бы порядка 100нС.

Однако, несмотря на ухудшение параметров вентиля его введение данного резистора необходимо. Это связано с возникновением сквозных токов при переключении ТТЛ логического элемента.

Если на вход вентиля поступает импульс напряжения с уровнем логической единицы, то в процессе его переключения ток потребления будет меняться. В состоянии логического нуля он больше, чем когда выходной сигнал соответствует уровню логической единицы.

О

днако реально картина изменения тока будет иной. При включении вентиля из-за резкого увеличения коэффициента усиления каскада на транзистореVT1, транзистор VT2 успеет закрыться прежде, чем откроется VT3. Вентиль перейдет в нулевое состояние, при котором ток потребления несколько больше, чем в единичном.

Перед переключением в состояние логической единицы, переход эмиттер-база транзистора VT3 открыт и коэффициент усиления каскада на VT1 составляет несколько десятков, так как эмиттерный резистор зашунтирован малым сопротивлением открытого перехода. В этом случае небольшое уменьшение входного сигнала вблизи напряжения переключения вызовет резкое повышение потенциала базы VT2, и слабо скажется на состоянии VT3, который еще должен выйти из насыщения. Таким образом, возникает ситуация, при которой оба транзистора выходного каскада оказываются открытыми и через них потечет сквозной ток, ограниченный только малыми в этом режиме сопротивлениями VT2 и VT3.. Если не принять мер, то величина этого тока может достигать сотен мА.

Хотя процесс переключения вентиля происходит достаточно быстро, этот ток может вызвать локальные перегревы транзисторов интегральной структуры и выход их из строя. Для снижения величины броска сквозного тока в коллекторную цепь транзистора VT2 устанавливается резистор. Он позволяет ограничить его величину на уровне порядка 20÷30 мА.

Наличие сквозного тока приводит к появлению дополнительных помех по шинам питания. Кроме того, так как каждый пик тока вызывает потребление дополнительной мощности от источника питания, то с ростом частоты их следования она будет увеличиваться.

Средний ток потребления рассматриваемого вентиля на низких частотах переключения составляет около 2÷2,3мА, а максимальный из-за разброса параметров элементов не превышает 4мА. На частотах 10÷15 МГц ток, а следовательно, и потребляемая мощность увеличиваются примерно в два раза, что приводит и к более сильному разогреву соответствующих элементов.

В реальных цифровых устройствах наряду с управляющими сигналами на входы логических элементов и цепи питания воздействуют различные помехи. Они представляют собой кратковременные изменения напряжений в различных точках схемы, что может привести к нарушению ее работы.

Если на вход инвертора подан сигнал логического нуля то он должен находиться в состоянии логической единицы. Однако, под воздействием наводок, помех по шинам питания и т.п., потенциал входа может кратковременно превысить порог переключения вентиля и он перейдет в противоположное состояние.

При этом у инвертора, реализующего функцию возникнет логическая ошибка (), что может привести к нарушению работы остальных узлов цифрового устройства. Это воспримется ими как появление ложного управляющего сигнала.

Из передаточной характеристики ТТЛ вентиля, приведенной на стр.40, следует, что с учетом зоны разброса для наихудшей ситуации, когда сигнал логического нуля составляет 0,7 вольта, помеха с амплитудой менее 0,4 вольта не вызовет ложных срабатываний. Для случая, когда на входе присутствует минимальный по уровню сигнал логической единицы, допустимый уровень составит 0,7 вольта. Однако, учитывая случайный характер помех, фирмы изготовители устанавливают предельно допустимый их уровень 0,4 вольта и гарантируют при этом устойчивую работу логических элементов.

Данные рассуждения о помехах справедливы в случае, когда вентиль находится в статическом, то есть установившемся состоянии. В динамике, в процессе переключения, воздействие помех оказывается более сложным и допустимый их уровень гораздо меньше.

Внекоторых ситуациях ТТЛ логический элемент сам может стать источником помех и не только по шинам питания из-за протекания сквозных токов, но и по линиям формирования выходных сигналов.

На передаточной характеристике вентиля можно отметить четыре зоны, соответствующие разным режимам работы его узлов. Когда уровень входного напряжения находится в зоне I, на выходе вентиля формируется сигнал логической единицы, при прохождении зоны II выходное напряжение падает пропорционально возрастанию входного сигнала в зоне IV входных напряжений, на выходе вентиля формируется логический нуль, а в третьей зоне происходит переключение его состояний.

При подаче управляющего сигнала трапецеидальной формы, то есть импульса с пологими фронтами, время перехода вентиля из одного состояния в другое будет достаточно большим, а сам процесс переключения можно отобразить такой временной диаграммой.

Так как при прохождении третьей зоны все транзисторы вентиля переходят в активный режим, то он будет работать как усилитель с коэффициентом усиления, достигающим нескольких сотен.

При этом из-за наличия паразитных обратных связей возникает генерация и на выходе вентиля формируется пачка импульсов, период следования которых определяется задержк

ами переключения. Величина выходного сигнала вентиля в таком режиме превышает уровни помехоустойчивости логического элемента, что вызовет ложные срабатывания аналогичных устройств, подключенных к выходу этого вентиля.

Для борьбы с данным явлением необходимо, чтобы длительности фронтов управляющих сигналов были бы меньше времен задержек переключения. Если эти условия выполнены, то паразитные колебания не успеют сформироваться.

Быстродействие и энергопотребление рассмотренного варианта ТТЛ вентиля определенным образом связаны с номиналами элементов, входящих в состав его схемы. Для приведенных значений, времена задержек составляют 15 и 20нС, при средней потребляемой мощности около 20 мВт. Если, при сохранении схемотехники, сопротивления резисторов увеличить, то снизятся протекающие через них токи и соответственно энергопотребление вентиля. Однако при этом замедлятся процессы перезаряда паразитных емкостей, что приведет к снижению быстродействия.

При уменьшении номиналов резисторов достигается обратный эффект. Данные решения использовались, когда требовались маломощные, но медленные элементы, или более быстродействующие, чем рассмотренные. Однако, при таком подходе рост быстродействия происходит медленнее, чем увеличение энергопотребления. Так, например снижение задержек в полтора раза вызывает увеличение мощности потребления вдвое.

Необходимость в логических элементах с разным быстродействием обусловлена тем, что в реальных условиях требуется обработка цифровых сигналов меняющихся с разными скоростями. При этом обработку медленно меняющихся сигналов можно проводить, используя малопотребляющие вентили с относительно большими задержками переключения, а высокочастотных – быстродействующими. В целом это позволяет снизить суммарное энергопотребление сложной цифровой аппаратуры.

В то же время в ряде устройств требуются логические элементы с быстродействием существенно большим, чем то, которое обеспечивают вентили ТТЛ серий. Кроме того, в связи с ростом сложности алгоритмов обработки цифровых сигналов и аппаратуры для их реализации остро встает вопрос снижения энергопотребления логических элементов. Для решения этой задачи были предложены новые технические решения, как в области схемотехники и электроники, так и в обеспечении оптимальных режимов работы схем.

Как уже отмечалось, основными определяющими факторами, которые влияют на быстродействие логического элемента являются: частотные свойства транзисторов, перезаряд паразитных емкостей и процессы рассасывание неосновных носителей, накапливаемых в базах насыщенных транзисторов.

Граничные частоты транзисторов современных интегральных микросхем лежат в пределах единиц и более гигагерц, перезаряд емкостей можно ускорить лишь уменьшая сопротивления резисторов в соответствующих цепях. Но здесь имеется определенный предел, связанный с возрастанием мощности потребляемой от источника питания.

Однако если транзистор удастся полностью открыть, не вводя в насыщение, то соответствующие составляющие задержек исчезнут. Как уже отмечалось, это можно сделать, используя в транзисторных ключах нелинейную обратную связь, которая реализуется введением между коллектором и базой диода Шоттки.

Е

сли такой диод включить как показано на рисунке, то пока транзистор заперт, диод будет закрыт и не повлияет на работу схемы. Когда транзистор попытается войти в насыщение, диод откроется и излишки входного тока будут выведены из базовой цепи во внешнюю, то есть в базе не будет происходить накопления избыточных носителей, следовательно транзисторный ключ будет быстро, как включаться, так и выключаться.

После разработки соответствующей технологии, такие диоды оказалось возможным ввести в коллекторные цепи сразу всех транзисторов вентиля и элементы такого типа стали называть ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки).

Данное техническое решение позволяет либо уменьшить задержки переключения логического элемента при сохранении потребляемой мощности (в этом случае номиналы резисторов схемы остаются неизменными), или снизить мощность при тех же задержках. В последнем случае номиналы резисторов увеличивают.

Однако в ТТЛШ элементах уровень выходного напряжения логического нуля повышается до 0,4÷0,5 вольта, в связи с чем немного уменьшается помехоустойчивость. В настоящее время ТТЛШ логические элементы практически полностью вытеснили ТТЛ аналоги.

Принципиальная схема одного из вариантов вентиля со средним быстродействием выглядит следующим образом. Здесь увеличены номиналы резисторов, в верхнем плече выходного каскада установлен составной транзистор (при этом не требуется дополнительный диод в эмиттерной цепи) и использован узел на транзисторе VT3, применение которого позволило скорректировать форму передаточной характеристики, устранив наклонный участок.

Это, а также использование нелинейных обратных связей с диодами Шоттки, позволило получить задержки переключения в 15 нС, что примерно соответствует быстродействию ТТЛ вентиля, но при средней мощности потребления 4 мВт. Измененная форма передаточной характеристики дала возможность повысить помехоустойчивость такого логического элемента в динамических режимах.

Здесь входной цепи используется не многоэмиттерный транзистор, а диодная сборка, что позволило уменьшить входные токи при высоком уровне управляющего сигнала.

Всовременных ТТЛШ сериях цифровых микросхем в качестве входного каскада используется эмиттерный повторитель. Это позволяет уменьшить входную емкость и снизить зону разброса напряжения переключения при изменениях температуры. Данная схема подключается ко входам инвертора к точкам, помеченным звездочками, вместо диодной сборки.

Принципиальная схема ТТЛШ вентиля повышенного быстродействия имеет такую конфигурацию. В ней по сравнению со схемой ТТЛ логического элемента уменьшены сопротивления резисторов и введены изменения в выходной и промежуточный каскады. При увеличении средней мощности потребления до 40 мВт, задержки переключения у такого вентиля удалось снизить до 5 нС.

Реальные логические элементы, выпускаемые в виде интегральных микросхем имеют систему маркировки, которая состоит из четырех элементов. Первый характеризует область применения и тип корпуса микросхемы. Он может быть пустым, включать одну букву, либо двухбуквенную комбинацию. Если в его состав входит буква К, например – К, КР, КС, КФ, КН, то это говорит о том, что данная микросхема предназначена для использования в устройствах общепромышленного применения. Без включения буквы К маркируются микросхемы для спецаппаратуры. Разница между ними в том, что в последнем случае проводится более жесткий контроль и поэтому гарантируется работа таких элементов в расширенном диапазоне температур и других внешних воздействий.