Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ДТЛ) И ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ТТЛ) ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

Цель работы: изучение принципов работы ДТЛ и ТТЛ схем, приобретение навыков аналитического расчета и экспериментального исследования их статических характеристик.

Теоретические сведения

Введение

Первые схемы диодно-транзисторной логики выпускались за несколько лет до изобретения интегральных схем. Затем с конца 50-х - начала 60-х годов их вместе с другими типами логики ста­ли изготавливать в интегральном исполнении.

Диодно-транзисторные и транзисторно-транзисторные логичес­кие схемы являются функциональными и электрическими аналогами, которые различаются в основном конструкцией входного узла. В ДТЛ схеме входная функция “И” реализована с помощью диодов (рис.1а,б,в).

С учетом особеннос­тей интегральной технологии в первой половине 60-х годов была предложена разновидность транзисторных схем, в которых на входе группу диодов заменил многоэмиттерный транзистор ТТЛ-схемы (рис.1,г,е). Это позволило существенно повысить быстродействие схемы. Использование одного источ­ника питания (а в некоторых ДТЛ схемах применяются 3 источника), достаточно высокое быстродействие, высокая помехозащищенность, устойчивость к технологическому разбросу сделали ТТЛ ИС

самыми популярными и распространенными микроэлектронными изделиями 60-х -70-х годов.

К настоящему времени ТТЛ ИМС и их разновидности с диодами Шоттки (ТТЛШ) являются самыми массовыми сериями биполярных ИС малой и сред­ней степени интеграции. В самых распространенных маломощных вен­тилях ТТЛШ входная логическая функция “И” реализуется на диодах Шоттки, поэтому их можно было бы именовать ДТЛШ (рис.1,д) [1,2].

Работа базовых элементов

Все приведенные на рис.1 логические схемы реализуют функцию И-НЕ, в частности, для входов А и В на выходе имеем .

Рассмотрим подробнее назначение и режимы работы элементов ДТЛ- схемы (рис.1,а). Если на оба входа А и В подано напряжение, соответствующее логическому нулю, диоды D1 и D2 будут открыты. От источника питания U_ИП1 через резисторы R1, R2 и диоды D1, D2 протекает ток. В состоянии логического нуля на вхо­де входной ток вытекает из схемы, а потенциал общего узла анодов диодов можно легко найти, зная,

,

где U_D - падение напряжения на открытом диоде.

При этом, если на входах потенциалы различаются, то U_y оп­ределяется более низким значением U_вх. Величина недостаточна для отпирания последовательной цепочки эмиттерный пере­ход транзистора T1 - диод D3 - эмиттерный переход транзистора T2. Поэтому выходной транзистор T2 закрыт, (точнее говоря, T2 работа­ет в нормальном активном режиме (НАР) с током эмиттера равном ну­лю). Через резистор R4 ток не протекает, поэтому потенциал на выходе U_вых = U_ИП2. Это состояние соответствует логичес­кой единице,

. (1)

Если хотя бы на одном из входов (предположим, на входе В) повысить напряжение до величины , то диодD2 закроется, поскольку

.

Когда на все входы одновременно подано напря­жение логической единицы , диодыD1 и D2 запираются, потому что теперь потенциал U_y ограничен сверху величиной, равной суммарному падению напряжения на прямо-смещенных эмиттерных переходах транзисторов T1 и T2 и диоде D3. Это значение . ТранзисторT1 за счет включения резистора R2 (рис.1,а) работает в нормальном активном режиме (НАР) и обеспечивает усиление тока в базовой цепи транзистора T2, благодаря чему последний входит в режим насыщения. Напряже­ние на выходе

.

Это состояние соответствует логическому нулю

. (2)

Резистор R4 ограничивает ток коллектора транзистора T2, пре­дохраняя его от “сгорания”, и позволяет повысить быстродействие при выключении T2. Резистор R3 необходим для ускорения выключения транзистора T2 при изменении напряжения на входе с .

Использование в данной схеме двух источников питания не обязательно. Однако, увеличение U_ИП1 и уменьшение U_ИП2 спо­собствует повышению нагрузочной способности схемы. При этом ми­нимальное допустимое значение U_ИП1 и U_ИП2 примерно равно падению напряжения на трех прямо смещенных р-n-переходах.

Сходный принцип работы характерен и для других схем данного класса (см. рис.1). Введение сложных выходных каскадов (рис.1в,г,д) позволяет существенно увеличить нагрузочную способность. Ряд других усовершенствований касается методов повышения быстро­действия, снижения рассеиваемой мощности и т.д. Чтобы представить некоторые особенности, связанные с переходом от ДТЛ к ТТЛ-схемам, рассмотрим подробнее назначение и режимы работы эле­ментов TТЛ-схемы со сложным выходным каскадом (рис.1,г).

Если на все входы (эмиттеры транзистора T1) одновременно или хотя бы на один из них подано напряжение , тоT1 работает в ре­жиме насыщения с током коллектора, равным нулю (ток не может вте­кать в базy транзистора T2). Потенциал коллектора T1

,

который не превышает граничного напряжения U_БЭгр2, и поэтому не дает возможности открыться транзистору T2. Следова­тельно, ток через T2 практически не протекает, и он работает в нормальном активном режиме с током эмиттера I_Э2 = 0. Пос­кольку падение напряжения на резисторе R3 также равно нулю, транзистор T4 закрыт, a через резистор R2 протекает только ток базы T3, создавая незначительное падение напряжения на R2, которым во многих случаях можно пренебречь. Транзистор T3 рабо­тает в НАР, диод D также открыт. Это состояние соответствует ло­гической единице на выходе схемы:

.

В том случае, когда на входы одновременно поданы потенциа­лы , эмиттерные переходы транзистора T1 запираются, и он переходит в инверсный активный режим (ИАР). Ток из коллектора T1 втека­ет в базу транзистора T2, включая последний и вводя его в насы­щение. Ток, протекающий через резистор R3, повышает потенциал базы транзистора T4, отпирая его и вводя в режим насыщения. С другой стороны, коллекторный ток транзистора T2 создает большое падение напряжения на R2. За счет этого потенциал базы T3 понижается, и он закрывается. Для того, чтобы надежно запереть транзистор T3 при , последовательно с его эмиттерным переходом включен диодD. Это состояние эквивалентно логичес­кому нулю на выходе схемы

,

где - напряжение коллектор-эмиттер насыщения транзис­тора без учета падения напряжения наr_K; r_K - сопротивление тела коллектора (в указанном случае транзистора T4); - ток в цепи коллектораT4, который втекает в него (рис.1,г). Резистор R4 ограничивает ток в момент переходного процесса, когда открыты оба транзистора Т3 и Т4.

Режимы работы элементов остальных логических схем приве­дены в таблице 1.

Расчет токов ДТЛ схемы

Рассмотрим схему, изображенную на рис.1,а. Если на какой-либо вход подано напряжение , соответствующий диод открыт, и входной ток вытекает из схемы. В этом случае транзисторT1 закрыт.

Предположим, что диоды D1 и D2 одинако­вы и открыты. Тогда по входам А и В протекают равные токи

,

а суммарный ток, протекающий через резисторы R1 и R2, равен

. (3)

Таблица 1