5 Схемотехника элементов интегрального исполнения

5.1 Схемотехника элементов серий ттл

5.1.1 Основные принципы построения схем

Логическую функцию в элементе ТТЛ выполняет многоэмиттерный транзистор (рис. 5.1,а). Ко входу логического элемента присоединен управляющий переключательS1, движок которого может занимать два положения — В и Н. В положении В на вход поступит напряжение высокого уровня, т. е. питающее напряжениеU_и.п, в положении Н — напряжение низкого уровня, соответствующее нулю потенциала (потенциал общей шины - земли). Если на вход (см. рис. 5.1,а) подано низкое напряжение, появляется входной стекающий ток низкого уровня: от провода питанияU_и.п= 5 В через базовый резисторR_б, через переход база — эмиттер транзистораVT1, далее через контакт Н переключателяS1 на землю. Величину базового тока=I_б= (U_и.п–U_БЭ)/R_б нормирует резисторR_б. В скоростных и экономичных микросхемах номиналыR_б взаимно отличаются в 15 раз.

а — путь входного тока;б— путь входного тока при нескольких входах;в — токи в транзистореVT1 при высоком входном уровне;г — токи в простейшем инверторе

Рис. 5.1 - К пояснению работы входа ТТЛ с многоэмиттерным транзистором

На рис. 5.1,б показан транзисторVT1 с тремя эмиттерами Э1 — ЭЗ (два из них не присоединены). Уровень токалогического элемента соответствует предыдущему случаю. Более того, если все три эмиттера, т. е. логических входаVT1, соединить вместе, ток практически не изменится. Таким образом, неиспользуемые входы можно оставлять разомкнутыми. Если заземлен хотя бы один из входов элемента ТТЛ (рис. 5.1,б), смена логических уровней на остальных входах не влияет на выходное напряжениеU_вых.

В обеих схемах (рис. 5.1,а,б)U_вых= 0. Когда хотя бы один эмиттер у транзистораVT1 заземлен, ток≈ I_б течет на землю по пути с малым сопротивлением, т. е. через переход база — эмиттер и переключательS1. Переход база — коллектор транзистораVT1 открыться не может, так как на нем нет избыточного напряжения более 0,7 В =U_БЭ.

Переведем движок переключателя в положение В (рис. 5.1,в). Теперь переход эмиттер — база транзистора VT1 будет закрыт, так как нет разности потенциалов между эмиттером и базой, поскольку эти электроды присоединены к общему проводу питания. От положительного полюса источника питанияU_и.п=5В на входIпоступает лишь входной ток утечки высокого уровня, не превышающий при нормальной температуре нескольких наноампер и направленный «навстречу» эмиттерной стрелке, указывающей проводимость транзистора (напомним, что токи протекают в цепях от высокого потенциала к низкому).

Большой по величине ток базы I_бтеперь течет через открытый переход база — коллектор (т. е. вправо на рис. 5.1,в), а затем через резистор нагрузкиR_нк нулевому потенциалу. На коллектореVT1 появляется напряжение высокого уровня

(5.1)

Таким образом, на рис. 5.1,впоказан одновходовой элемент ТТЛ, не изменяющий фазу входного сигнала. Когда на входIподается напряжение низкого уровня Н, на выходеYбудет также напряжение низкого уровня, а входному сигналу высокого уровня В будет соответствовать выходное напряжение высокого уровняU_вых>0. Такой элемент назовем неинвертирующим. Напомним, что здесь активное, включающее — входное напряжение низкого уровня, когда через управляющий переключательS1 на землю стекает большой входной ток. Например, для стандартных элементов ТТЛ (основа серии К155) ток одного входа= 1,6 мА.

Для инвертирующего логического элемента входные и выходные напряжения высокого и низкого уровней взаимно противоположны: В и Н, Н и В. На рис. 5.1,гпоказана простейшая схема инвертора ТТЛ. Здесь к предыдущей схеме добавлен транзисторVT2, который «переворачивает» фазу выходного напряжения. Если от переключателяS1 на входIпоступает напряжение высокого уровня В, оконечный транзисторVT2 насыщается базовым токомI_б и выходное напряжение низкого уровня на его коллектореU_выхстановится близким к нулю, точнее, не превышает 0,3 В. Это наибольшее значение напряжения насыщения коллектор — эмиттер для кремниевого транзистораVT2.

Инвертор (рис. 5.1,г) является основой микросхем, выходы у которых имеют открытые коллекторы (резисторR_нв схеме элемента отсутствует и коллекторVT2 выводится без связи с другими элементами – «открытым»). Такой элемент широко применяется самостоятельно. Для обозначения логической функции — инверсии применяют специальные знаки. На принципиальной схеме кружком отмечается тот вход или выход, где сигнал претерпевает переворот фазы. Черта инверсии ставится над буквенным мнемоническим обозначением данного вывода. К примеру,— инвертирующий вход,— инвертирующий выход. Черта инверсии ставится и над символом команды или ее мнемоническим обозначением, например,, т. е.. Этим знаком отображается взаимная противоположность операций. Входы, имеющие активным входное напряжение низкого уровня, следует отметить знаком инверсии. На рис. 5.1,гпоказан импульсный усилитель с инверсией по выходу.

Основная масса элементов ТТЛ снабжена двухтактным выходным каскадом (рис. 5.2,а), состоящим из выходныхп-р-п-транзисторов: насыщаемого (VT5) и составного эмиттерного повторителя (VT3,VT4). Такой каскад называется квазикомплементарным в отличие от комплементарного, составленного из парып-р-п ир-п-р транзисторов. Транзисторр-п-р оказался неоправданно сложным технологически для цифровых микросхем. Для раздельного управления выходнымип-р-п транзисторами необходим промежуточный каскад, который называется расщепителем фазы входного сигнала. На рис. 5.2,арасщепитель фазы состоит из транзистораVT2 и резисторовR2,R3. Каскад имеет два выхода: коллекторный и эмиттерный, импульсы на которых противофазны. Выходные транзисторы, включаемые поочередно, аналогичны перекидному тумблеру: на нагрузку можно включить напряжение высокого выходного уровня, или низкого.

Выход логического элемента DD1, обозначенный, подключается к низкому потенциалу, т. е. заземляется через насыщаемый транзисторVT5 и получает высокий выходной потенциал от эмиттера составного транзистора УТЗ,VT4. Инверсия входного сигналаIотображена на выходе символом. Чтобы доказать, что на рис. 5.2,аизображен инвертор, присоединим на входIпереключательS1 (рис. 5.2,б), и подадим на его вход напряжение низкого уровня. ТранзисторVT1 не может дать базовый токI_б транзисторуVT2 (см. рис. 5.2,а), и транзисторVT2 находится в разомкнутом состоянии (на рис. 5.2,бразомкнутый транзисторVT2 условно не показан). Однако резисторR2 присоединен к проводу питанияU_ип= 5 В, поэтому выходное напряжение высокого уровняпоявляется на нагрузкеR_Hот эмиттера транзистораVT4.

а — схема инвертора; б — распределение токов и напряжений при низком входном логическом уровне; в — то же при высоком входном уровне

Рис. 5.2 - Токи и напряжения в инверторе ТТЛ

Статическое выходное напряжение высокого уровня для логического элемента

(5,2)

Заметим, что транзистор VT3 — эмиттерный, повторитель. Он не может перейти в состояние насыщения и поэтому минимальное напряжение усилительного режимU_KБдля транзистораVТ3 не падает ниже 0,7...1 В. Если учесть, что для транзисторов без переходов Шотки напряжениеU_БЭ= 0,7 В, получаем≥(5-1-1,4)=2,6 В при стандартном напряжении питанияU_ип=5 В. Падение напряжения на резистореR4, ограничивающем ток короткого замыкания в выходном каскаде, в первом приближении не учитываем.

Для транзисторов с переходами Шотки напряжение на р-п переходе меньше и составляет 0,2...0,3 В. Следовательно, напряжение высокого уровнядля перспективных элементов ТТЛ несколько выше и достигает 3,5 В.

Эмиттерный повторитель (ЭП) — усилительный каскад с отрицательной обратной связью. Следовательно, величина вытекающего эмиттерного тока будет определяться его выходным сопротивлением R_выхЭП. Для схемы на рис. 5.2,бR_выхЭП=R2/(B+l)+φ_т/. ЗдесьR2 — коллекторный резистор нагрузки транзистора-фазорасщепителя; (В+1)—полный коэффициент усиления транзистора по току. В данной схеме В=I_k/I_Б для составного транзистораVT3 иVT4 определяется как произведение: В≈ВЗ•В4. Напомним также, чтоφ_т— температурный потенциал (φ_т=26 мВ для температуры 300 К),— вытекающий выходной ток высокого уровня логического элемента.

Например, если R2 = 8 кОм, В= 1000,φ_т= 26 мВ, то при= 5 мА, получимR_выхЭП= 8 + 5= 13 Ом. В этой сумме пересчитанный на выход номинал резистораR2, который служит сопротивлением источника сигнала для ЭП, т. е. слагаемое 8 Ом больше, чем собственное выходное сопротивление эмиттерного перехода транзистора VT4, равное 5 Ом. На рис. 5.2,б параллельно нагрузочному резистору R_H включена емкость С_пар, символизирующая нагрузочную паразитную емкость. Для печатной платы — это погонная емкость проводящей дорожки, помноженная на ее длину. Если С_пар= 100 пФ, то время нарастающего положительного перепада выходного импульса составит t^1,0=2,2R_выхЭП С_пар, т. е. примерно 3 нс. Следует учесть, что поступающий от транзистора VT4 импульсный ток заряда емкости С_пар велик, однако вытекающий статический ток высокого уровня мал, поскольку обслуживаемые входы последующих элементов ТТЛ имеют малые входные токи высокого уровня (см. рис. 5.2,в).

В схеме на рис. 5.2,б к выходу инвертора DD1 подключен элемент-нагрузка ТТЛ DD2, на вход которого будет поступать (от эмиттера VT4) незначительный входной ток высокого уровня, т. е. ток утечки входа «.

Подадим на вход логического элемента DD1 напряжение высокого уровня. Для этого в схеме на рис. 5.2,в переведем движок переключателя S1 в положение В. Транзистор-фазорасщепитель VT2 получит теперь базовый ток I_Б от коллектора VT1 и поэтому откроется. Часть его эмиттерного тока I_э поступит в базу оконечного транзистора VT5. Этот транзистор перейдет в состояние насыщения, т. е. откроется. Выходной вывод логического элемента DD1 окажется подключенным к общей шине питания - земле.

Внутреннее сопротивление промежутка коллектор — эмиттер r_кэ для насыщенного транзистора VT5 реально составляет 30...50 Ом, а выходное напряжение насыщения для кремниевого транзистора U_КЭнас=0,3 В. Это выходное напряжение низкого уровня для элемента ТТЛ .

Паразитная емкость С_пар разряжается до низкого логического уровня через низкоомный насыщенный транзистор VT5. Длительность процесса разряда определяет время отрицательного перепада выходного импульса .

Транзистор VT5 проектируется так, чтобы он мог надежно пропускать большие статические стекающие выходные токи низкого уровня . Чем больше допустимое значение этого тока, тем выше нагрузочная способность элемента ТТЛ. Нагрузочную способность принято оценивать числом входов элементов-нагрузок, каждый из которых должен надежно переключиться. Учтем, что значение активного стекающего входного тока_низкого уровня для элемента ТТЛ велико. На рис. 5.2,в к выходу присоединены три входа элементов-нагрузокDD2—DD4; если это элементы серии KI55, то = 3= 3•1,6=4,8 мА.

В схеме инвертора ТТЛ на рис. 5.2,а присутствуют два вспомогательных элемента: диод VD1, защищающий вход от пробоя, и резистор R4, ограничивающий в выходном каскаде так называемый сквозной ток короткого замыкания транзисторов VT4 и VT5. Интересно, что в самых первых элементах ТТЛ диоды защиты входов отсутствовали. Однако реально оказалось, что длинные проводники печатных плат большого формата накапливают большие паразитные заряды. Эта энергия дает на входе элемента отрицательные импульсы напряжения (при значительной величине тока). Диод VD1 поглощает паразитную энергию и тем самым защищает эмиттер транзистора VT1 от пробоя.

Как было показано ранее, транзисторы VT4 и VT5 отдают и принимают выходной ток поочередно. Однако во время формирования выходных перепадов есть момент, когда оба транзистора выходного каскада ТТЛ одновременно открыты (можно сказать, полуоткрыты), поскольку один из транзисторов не успел полностью закрыться, а другой — открыться. По-другому, VT4 и VT5 находятся оба в линейном режиме. Если считать, что суммарное сопротивление между их коллекторами и эмиттерами в этот момент составит 100...200 Ом, то без ограничивающего резистора R4 импульс тока короткого замыкания от источника питания U_ип = 5 В достигнет 25...50 мА. Если импульсные перепады будут следовать часто, выходные транзисторы быстро перегреются. Резистор R4 принимает на себя значительную часть этой мощности и защищает выходные транзисторы от перегрева.

Импульсы тока короткого замыкания, наводящие большие помехи в шинах питания,— один из самых существенных недостатков схемотехники ТТЛ. Для уменьшения их влияния в цепях питания на печатной плате следует устанавливать керамические конденсаторы развязки с номиналами 0,1 мкФ и более.

а — фазы сигналов инвертора;б—.определение среднего времени задержки распространения сигнала;в— то же для задержки логических перепадов

Рис. 5.3 - К определению импульсных параметров ТТЛ

Прежде чем изучить варианты элементов ТТЛ, рассмотрим, как определяются некоторые импульсные параметры. На рис. 5.3,апоказаны входной и выходной импульсы инвертора, а на рис. 5.3,б дано их взаимное расположение по времени, причем показано, что выходной импульсU_выхсущественно задержан относительно входногоU_вх. На графиках отмечено пять временных отрезков: длительности положительногоt^0,1 и отрицательногоt^1,0 выходных перепадов, два времени задержки распространения (при включениии при выключении), а также так называемое среднее время задержки распространения выходного сигналаt_зд.р._ср.Для элементов ТТЛ первоначальной разработки интервалы времениибыли значительны из-за глубокого насыщения, в которое попадают при переключении импульсные транзисторы. На рис. 5.3,впоказано, что эти параметры отсчитываются от средних уровней импульсовU_cp. НапряжениеU_cpдля элементов ТТЛ без переходов Шотки равно 1,3 В, с переходами Шотки — 1,5 В.

Более общий параметр - среднее время задержки распространения выходного сигнала t_зд.р._ср- это полусуммаи. На рис. 5.3,б- это интервал между серединами импульсов. Параметрt_зд.р._српозволяет сравнивать быстродействие любых логических элементов.

Время задержки распространения при включении соответствует времени заряда емкости входной цепи логического элемента. Пока входная емкость не зарядится и не будет превышен порог открывания транзистораU_БЭ ≥ 0,7 В, он не откроется. Аналогично времяопределяется скоростью разряда входной емкости: входной сигнал уже окончился, но выходной еще не нарастает, поскольку необходимо время для стекания избыточного заряда во входной цепи. Свести к минимуму интервалыиможно, если ограничить транзисторам базовый ток насыщения.

Стимулом развития схемотехники и технологии изготовления микросхем ТТЛ за последнее двадцатилетие было прежде всего стремление сократить эти интервалы времени. Если они будут малы, выходной импульс U_вых, показанный на рис. 5.3,б, запоздает мало и среднее время задержки распространения сигнала принципиально сократится. Времена нарастания и спада перепадов выходного импульсаиопределяются в конечном счете величиной выходного коллекторного тока и паразитными выходными емкостями транзисторов. Паразитные емкости снижают, переходя к уменьшенным физическим объемам коллекторных областей интегральных транзисторов (отметьте: плотность коллекторного тока при этом пропорционально возрастает!). Значения коллекторных и базовых токов ограничивают резисторами. Для высокоскоростных элементов номиналы резисторов приходится уменьшать, из-за чего потребляемая микросхемой мощность увеличивается.

На рис. 5.4 показаны схемы трех элементов ТТЛ. Назовем их традиционными. Эти серии активно развивались до настоящего времени. Если отвлечься от номиналов резисторов, можно обнаружить, что в схеме, показанной на рис. 5.4, а, присутствует составной транзистор - эмиттерный повторительVT3,VT4. В схемах на рис. 5.4,б, в повторитель не составной (только транзисторVT3), однако в схемы добавлен диод сдвига уровня,VD4. В остальном схемы одинаковы.

а—МТТЛ;б — СТТЛ;в— МмТТЛ

Рис 5.4 - Принципиальные схемы первичных логических элементов ТТЛ

На рис. 5.4,а показан мощный ключ ТТЛ, на котором основаны микросхемы, составляющие серию К131. Ее зарубежным аналогом является серия 74Н (Н —high— символ высокого быстродействия серии и наибольшей потребляемой мощности). Поскольку резисторы здесь относительно низкоомные, элемент серии К131 имеет ток потребленияI_пот примерно 4...5 мА; его среднее время задержки распространенияt_зд.р._ср=6 нс. Как будет показано далее, энергия переключения для него Э_пот=Р_пот•t_зд.р._ср=I_пот•U_ип•t_зд.р._ср=120...150пДж в настоящее время считается чрезмерно большой. Поэтому эти серии больше не развиваются. Чтобы получить импульс выходного тока, обеспечивающий наибольшую скорость зарядки выходной емкости, в схеме на рис. 5.4,а выходной эмиттерный повторитель выполнен по схеме Дарлингтона, т. е. составного транзистора.

На рис. 5.4, бпоказана схема самого распространенного логического элемента - основы серии К155 и ее зарубежного аналога - серии 74. Эти серии принято называть стандартными. Логический элемент серии К155 имеет среднее быстродействиеt_зд.р._ср= 13.нс и среднее значение тока потребленияI_пот= 1,5...2 мА. Таким образом, энергия, затрачиваемая этим элементом на перенос одного бита информации, составляет примерно 100 пДж.

Для обеспечения выходного напряжения высокого уровня ≥2,5 В (как и в схеме на рис. 5.4,а) в схему на рис. 5.4,б потребовалось добавить диод сдвига уровняVD4, падение напряжения на котором равно 0,7 В. Таким способом была реализована совместимость различных серий ТТЛ по логическим уровням. Микросхемы на основе инвертора, показанного на рис. 5.4,б(серия К155), имеют очень большую номенклатуру, широко выпускаются. На рис. 5.4,в показан третий вариант ТТЛ первоначальной разработки — маломощный логический элемент (МмТТЛ). .Он лежит в основе отечественной серии К134 и зарубежной с названием 74L(здесьL—low— означает малое быстродействие и одновременно малое потребление тока питания). Этот элемент потребляет мощность питания примерно 1 мВт при среднем времени задержки распространенияt_зд.р._ср=33 нс, что соответствует энергии, потребляемой на перенос единицы информации Э_пот= 33 пДж. Номиналы резисторов в этом логическом элементе относительно велики.

В конце 70-х годов микросхемы ТТЛ первоначальной разработки стали активно заменяться на микросхемы ТТЛШ, имеющие во внутренней структуре р-п переходы с барьером Шотки. Напомним, что эффект Шотки снижает пороговое напряжение открывания кремниевого диода от обычных 0,7 В до 0,2...0,3 В и значительно уменьшает время жизни неосновных носителей в полупроводнике. Эффект основан на том, что вр-п переходе или рядом с ним присутствует очень тонкий слой металла, богатый электронами — свободными носителями.

Сложности практического освоения технологических процессов изготовления полупроводниковых структур с эффектом Шотки, однако, были очень велики, поэтому промежуток времени, отображающий развитие маломощных серий ТТЛШ, растянут по времени на восемь лет.

В основе транзистора с переходом Шотки (транзистора .Шотки, ТШ) находится известная схема ненасыщаемого РТЛ-ключа (рис. 5.5, а). Здесь транзистор удерживается от перехода в режим глубокого насыщения с помощью дополнительной нелинейной входной цепи с диодом. Обычный базовый резисторR_бздесь составлен из двух:R_б1иR_б2. Если на вход данного элемента РТЛ от переключателяS1 поступает напряжение высокого уровня, через резисторR_б1течет входной ток. НоминалыR_б1иR_б2нетрудно рассчитать так, чтобы пороговое напряжение открывания диодаU_nopоказалось бы меньше, чем падение напряжения на резистореR_б2, т. е.I_Б R_б2. Здесь символомI_Б обозначен предельный, близкий к насыщающему базовый ток транзистораVT1. Если диодVD1 откроется, через него потечет избыточный входной ток-I_Б, который теперь минует базу транзистора и получит путь для стекания в землю через промежуток транзистора коллектор — эмиттер.

Рис. 5.5 - Ненасыщаемый элемент РТЛ (а), транзистор с диодом Шотки(б) и символ транзистора Шотки(в)

Если от переключателя S1 подать входное напряжение низкого уровня (ноль потенциала), токпрекратится и транзистор практически без задержки перейдет от насыщения к состоянию отсечки (т. е. выключится, разомкнется), так как он находился ранее на грани линейного и насыщенного режимов. По-другому, в объеме его базовой области, как в микроскопическом аккумуляторе, не были накоплены избыточные заряды. Отметим, что поскольку напряжение между базой и коллекторомU_БК=U_nop-I_БR_б2 удерживалось на уровне нескольких десятых долей вольта (диодVD1 обычный, кремниевый), напряжение низкого выходного уровнядля элемента РТЛ с ограничением тока насыщения (рис. 5.5,а) может увеличиться до 1 В (вместо 0,3 В при насыщаемом ключе).

В схеме на рис. 5.5,бтранзисторVT1 удерживается от перехода в насыщение шунтирующим диодом ШоткиVD1 с низким порогом открывания. Здесь напряжениеU_БКмин=0,2...0,3 В, поэтому напряжениеповысится мало. На рис. 5.5,впредыдущая схема заменена единым символом — транзистором Шотки. Этот транзистор не переходит в глубокое насыщение, у него очень мало время рассасывания накопленных в базе носителей. Логические элементы на основе транзисторов Шотки имеют меньшее время задержки отключения .

На основе тpaнзисторов Шотки в начале 70-х годов были выпущены первые микросхемы двух основных современных серий ТТЛ. На рис. 5.6,а показана схема высокоскоростного логического элемента, применяемого как основа микросхем серии К531. Аналогичная зарубежная серия называется 74S; здесьS— начальная буква фамилии немецкого физика Шотки (Schottky), открывшего физический эффект, оказавшийся для электроники столь важным.

а —ТТЛШ; б — маломощный ТТЛШ

Рисунок 5.6 - Принципиальные схемы логических элементов с переходом Шотки

В этом элементе вместо эмиттерного резистора (см. R3 на рис. 1.6,а) для улучшения формы импульса использован нагрузочный генератор тока — транзисторVT4 с резисторамиR4,R5. Отметим, что номиналы остальных резисторов в элементах серий К131 и К531 (сравните рис. 5.4,а и 5.6, а) почти одинаковые. Из-за этого близки значения мощности потребления Р_пот., однако времяt_зд.р.срдля инвертора серии К531 снижено до 3 нс, что обусловило потребление энергии на 1 бит информации Э_пот=19•3=57 пДж.

На рис. 5.6,б показана схема элемента, на котором основаны микросхемы серии К555. Аналогичная зарубежная серия имеет название 74LS(т. е.lowSchottky— что можно трактовать как экономичная серия с применением переходов Шотки). Для микросхем серии К555 мощность, потребляемая одним элементом,Р_пот=2 мВт при времениt_зд.р.ср=9,5 нс, поэтому потребляемая энергия переключения Э_пот=19 пДж.

Таблица 5.1 - Динамические параметры микросхем ТТЛ

В электрической схеме элемента серии К555 вместо многоэмиттерного транзистора использована матрица диодов Шотки.

Таблица 5.2 - Статические параметры микросхем ТТЛ