7 Базові логічні елементи

Для побудови цифрових пристроїв широке застосування знаходять інтегральні логічні елементи на базі ТТЛ -, ТТЛШ -, ЕЗЛ - і КМОН - технологій. Будь яка мікросхема, що реалізує складну логічну функцію, частіше всього складається з елементів І-НІ або АБО-НІ.

7.1 Базовий ттл (ттлш) - елемент і - ні

Найпростіший ТТЛ елемент, назва якого розшифровується як транзисторно-транзисторна логіка, складається з кон`юнктора, виконаного на багатоемітерному транзисторіVТ_Б і транзисторного інвертора VT1 (рисунок 7.1). При високих рівнях напруги на усіх входах схеми усі переходи емітер-база багато-емітерного транзистора VT_Б зміщуються в зворотньому напрямку (заперті), а перехід база-колектор за рахунок напруги +Е_жив - у прямому (інверсне включення транзистора). Струм колекторного переходу транзистора VТ_Б, що протікає через перехід база-емітер транзистора VТ1, вводить останній у режим насичення. При цьому з виходу знімається низький рівень напруги (логічний нуль).

Якщо хоча б на один вхід схеми надійде сигнал логічного 0 (низький рівень напруги), VТ_Б відкривається і на базу VТ1 подається низький рівень напруги. Останній закривається і з виходу знімається високий рівень сигналу (логічна одиниця).

Таким чином, елемент реалізує функцію І-НІ (). Вихідний опір розглянутого елемента залежить від стану транзистора VТ1. Коли він відкритий опір близький до нуля, а коли закритий, R_вих R_К=R2.

Для зменшення енергоспоживання і збільшення навантажувальної здатності ТТЛ елементи містять додаткові транзистори (рисунок 7.2).

Подібна схема називається ТТЛ елементом з складним інвертором, виконаним на трьох транзисторах VT1, VT2 і VT3. Якщо на усіх входах елемента присутня логічна 1, то емітерний перехід VТ_Б закритий, а колекторний - відкритий. Струм бази VТ_Б через перехід БК_VTБ надходить у базу VT1. У результаті VT1 входить у режим насичення. Додатним потенціалом, який знімається з резистора R4, транзистор VT3 відкривається і з виходу схеми знімається логічний 0. Завдяки наявності діода VD1 транзистор VT2 при цьому надійно закритий.

Діод забезпечує додаткове додатне збільшення напруги на емітері VT2. Використання таких діодів - один із типових прийомів інтегральної технології, що дозволяє забезпечити надійне закриття вимкнених транзисторів. Наявність закритого VT2 у колекторному ланцюзі відкритого VT3 практично виключає споживання току вихідним ланцюгом складного інвертора в стані спочинку ( без навантаження). Навантаження, увімкнене між +Е_жив і колектором VT3 може викликати достатньо великий струм (I_к.VT3=I_н).

Якщо хоча б на один вхід схеми (рисунок 7.2) надійде логічний 0, то транзистор VТ_Б насичується, на його колекторі (базі VT1) з'являється низький рівень напруги і транзистор VT1 закривається. Потенціал його емітера прямує до нуля, а потенціал колектора - до напруги +Е_жив. Транзистор VT3 закривається, VT2 - відкривається. З виходу знімається високий рівень напруги (логічна 1).

Каскад на транзисторі VT2 працює в активному режимі як емітерний повторювач (значення резистора R3 мале (десятки Ом) і може не враховуватись).

Вихідний опір емітерного повторювача дуже малий, тому навантажувальна здатність другої схеми (рисунок 7.2) у порівнянні з першою (рисунок 7.1) значно збільшується.

Споживання току у вихідному ланцюзі ненавантаженого складного інвертора в цьому стані також мале, тому що VT3 - закритий. Якщо між виходом (колектором VT3) і корпусом увімкнути опір навантаження, то споживаний схемою струм збільшується (I_н=I_еVT2).

Відсутність власного споживання току вихідним ланцюгом складного інвертора робить аналізований елемент достатньо економічним.

Водночас, ця схема має суттєвий недолік. При формуванні логічної одиниці на виході струм закритого транзистора VT3 I_коз протікає через резистор R4 (рисунок 7.2), що створює на ньому падіння напруги, спрямоване на відкривання транзистора. Щоб знизити цю напругу значення резистора R4 береться не дуже великим (сотні Ом).

Мале значення R4 шунтує перехід база-емітер VT3 при його відкриванні. Наприклад, при напрузі U_{бе.н VT3}=0.6 В через резистор R4=1 кОм протікає струм 0.6 мА. Отже, VT3 почне відкриватися тільки після того, як струм через резистор R4 зростає до 0.6 мА. Це призводить до розтягування у часі перехідної області передавальної характеристики аналізованого елемента (рисунок 6.1).

Крім того, наявність R4 впливає на стабільність параметрів ТТЛ - елемента в робочому діапазоні температур. Цей резистор має додатний температурний коефіцієнт опору (ТКО). При зростанні температури значення R4 збільшується, його дія , що шунтує , зменшується, струм бази VT3 збільшується, транзистор VT3 насичується сильніше, що може збільшити час його вимикання, тобто погіршує швидкодію.

При знижені температури значення R4 падає, його дія , що шунтує , зростає, що наводить до збільшення часу включення (розтягуванню у часі перехідної області передавальної характеристики мікросхеми (рисунок 6.1)).

Для усунення відзначених недоліків замість резистора R4 у схему ТТЛ елемента включений нелінійний чотириполюсник (рисунок 7.3), виконаний на транзисторі VT4.

Це дозволяє зменшити тривалість перехідної області передавальної характеристики ТТЛ-елемента (рисунок 6.1) і підвищити стабільність його параметрів.

Розглянута схема з складним інвертором також реалізує функцію І-НІ.

ТТЛ схеми в цей час достатньо широко застосовуються в модифікованому ТТЛШ виконанні і містять транзистори і діоди Шотткі.

Нижче показаний приклад двовходового логічного ТТЛШ - елемента І-НІ (рисунок 7.4), що має ряд додаткових елементів, відсутніх у розглянутій вище ТТЛ - схемі (рисунки 7.2,7.3).

Рисунок 7.4

По-перше, для підвищення навантажувальної здатності замість транзистора VТ2 (рисунок 7.2) у схему введений складений транзистор (VТ2 , VТ2). По-друге, для захисту елемента від випадково поданих від`ємних вхідних сигналів у нього включені діоди VD1, VD2. По-третє, схема містить транзистор VТ5, за допомогою якого здійснюється перемикання виходу схеми в третій, високоімпедансний (Z) - стан (див.4.15). Додатний потенціал на базі транзистора VТ5 відкриває його, закорочуючи тим самим колектор транзистора VТ1 на землю. Це призводить до того, що транзистори VТ2, VТ2 і VТ3 залишаються закритими незалежно від стану вхідних управляючих сигналів. При цьому вихід F відключається як від шини живлення, так і від землі, тобто нiби повисає в повітрі. Функціональне позначення такого логічного елемента показане на рисунку 7.5.

Можливість переходу ТТЛ (ТТЛШ) схем у 3-ій стан дозволяє використовувати їх при роботі на одну системну шину, наприклад, у мікропроцесорних пристроях. При цьому до загальної шини залучений цілий ряд різноманітних пристроїв, обладнаних вихідними ланцюгами з трьома станами. В кожний момент часу з загальною шиною сполучений тільки один пристрій, а виходи інших знаходяться в 3-му (Z)- стані, тобто відключені від шини.