4. Ттл элемент, работа схемы, основные характеристики.

ТТЛ элемент представляет достаточно сложную электронную схему и является основой построения серии интегральных микросхем, получивших самое широкое распространение.

Электрическая принципиальная схема логического элемента ТТЛ приведена на рисунке 7. Данная схема реализует логическую функцию 2И-НЕ. В состав схемы входят: многоэмиттерный транзистор VTM, на котором реализуется функция 2И, промежуточный каскад на транзисторе VT1, предназначенный для управления выходным каскадом и выходной каскад на транзисторах VT2 и VT3. Схема на транзисторах VT1, VT2 и VT3 является схемой сложного инвертора и реализует функцию НЕ.

Рассмотрим работу схемы и при этом будем строить графики основных характеристик. На один из входов подадим напряжение низкого уровня, например Ub = 0, а второй вход оставим не подключенным никуда.

Это приводит к тому, что базово-эмиттерный переход (по входу Ub) оказывается смещенным в прямом направлении и по цепи Up - Rb - базово-эмиттерный переход - общий провод протекает ток величиной . Принимая Ube = 0,7В, Up = 5В и Rbe = 4,3кОм получим Ib = -1мА.

Рис.7. Принципиальная электрическая схема

логического элемента ТТЛ.

В этом случае выходное напряжение определяется соотношением Uout=Up-U(R1) - Ube(VT2)-U(VD0).Принимая: U(R1) 0 В, Ube (VT2) = U(VD0)=0,7В, Up=5В, получим Uout=5 - 1,4=3,6В.

Если же Rn имеет конечное значение (например 1кОм), то будет сформирован ток базы Ib(VT2) достаточный для создания режима насыщения транзистора VT2. В этом случае -- Uout = Up - U(Rk) - Uke(VT2) - U(VD0). Принимая: В, Uke(VT2) = 0,2В, U(VD0) = 0,7В, получим Uout = 5 - 0,9 = 4,1В. Для построения графика передаточной характеристики примем Uout = 4В.

Величина тока, протекающего по второй цепи мала, и создаваемое падение напряжения на R2 недостаточно для формирования тока базы VT3, который остаётся закрытым. Транзистор VT2 работает змиттерным повторителем.

Таким образом, при В --, у транзистора VTM открыты оба перехода, транзисторы VT1,VT2 работают в линейном режиме. Коэффициент усиления определяется соотношением К = R1/R2 и равен -1,4. Следовательно, выходное напряжение уменьшается с наклоном -1,4 , а входной ток - Iin возрастает с большей крутизной и нелинейно.

Эти соотношения сохраняются до величины входного напряжения Ub = 1,4В , при котором Ub(VTM) = 2,1В. Этого напряжения достаточно для смещения трех p-n переходов в прямом направлении: базовоколлекторный переход VTM и базово-эмиттерные переходы VT1 и VT3. Через эти переходы протекает ток достаточный для перевода транзистора VT3 в линейный режим и вся схема работает с большим коэффициентом усиления . Соответственно, выходное напряжение уменьшается с наклоном -20.

Большое значение коэффициента усиления приводит к тому, что уже при Ub = 1,6В транзисторы VT1 и VT3 переходят в режим насыщения, а транзистор VT2 в режим отсечки. Выходное напряжение Uout устанавливается равным Uke насыщения VT3 (примерно 0,2В) и дальнейшее увеличение входного напряжения Ub не приводит к изменению выходного напряжения Uout.

Изменение входного тока происходит следующим образом: при увеличении входного напряжения выше 1,4В напряжение база эмиттер транзистора VTM становится меньше 0,7В и в соответствии с входной характеристикой транзистора уменьшается ток эмиттера (входной ток элемента). Можно считать, что при Ube(VTM) = 0,4В ток эмиттера, а следовательно и входной ток элемента, равен нулю. Входное напряжение будет равно 1,8В. При дальнейшем увеличении входного напряжения транзистор VTM переходит в инверсный режим, базово-эмиттерный переход смещается в обратном направлении и входной ток устанавливается не более 40мкА.

Возможна подача на вход отрицательного напряжения, это приводит к увеличению абсолютного значения входного тока и при Ub = -2В наступает пробой и резкое увеличение входного тока. Схема становится неработоспособной. Все рассмотренные особенности работы схемы логического элемента отображены в статических характеристиках: передаточная характеристика элемента Uout = F(Ub) и входная характеристика элемента Iin = F(Ub). Величина входного тока Iin = 40мкА на рис.9 показана условно, вне масштаба Для полного представления о работе схемы логического элемента необходимо знать зависимости выходного напряжения от тока нагрузки. Такая зависимость называется выходной характеристикой -- Uout = F(In). Так как выходное напряжение должно находиться в одном из двух диапазонов: высокий уровень -- В или низкий уровень —В, то и выходных характеристик должно быть две.

Для упрощения оценки возможности подключения входов к выходам логических элементов при сохранении соответствующих уровней напряжения вводят понятие -- нагрузочный коэффициент - N, который определяют как отношение выходного тока элемента к соответствующему входному. Так при “1” выходном напряжении , т.е. можно подключать до 400 входов. При “0” выходном напряжении , т.е. можно подключать не более 10 входов. Нагрузочная способность элемента определяется при низком выходном напряжении. Такой подход к оценке возможности подключений позволяет при построении схем не рассчитывать для согласования выходные и входные токи а просто подсчитывать количество подключаемых входов и если оно больше N необходимо принимать дополнительные схемотехнические решения.

При подаче входного сигнала состояние элемента по выходу изменится через некоторое время называемое временем задержки прохождения сигнала -- . Обычно это время при изменении сигнала на выходе элемента 0-1 и 1-0 различно.

Сцелью упрощения анализа работы схем в дальнейшем будем считать, что эти времена одинаковы и определяются соотношением. Временные соотношения между входными и выходными сигналами показаны на рис.11.

Рис 10. Выходные характеристики ТТЛ элемента.

Лекция 6.