ЛЕКЦИЯ №4

Потенциальная система элементов.

План:

1. Схемы КСТЛ, РТЛ, РЕТЛ.

2. Схемы ДТЛ с простым и сложным инвертором.

3. Схемы ТТЛ и ТТЛШ с простым и сложным инвертором на выходе.

Ключевые слова:

Потенциальная система элементов, цифровые схемы на биполярных транзисторах с различным типом связи, (различные транзисторные логики), достоинства и недостатки схем, схема ДТЛ с простым инвертором, схема ДТЛ со сложным инвертором, схема ТТЛ с простым инвертором, базовая схема ТТЛ, схемы с диодами Шоттки.

Среди современных элементов ЭВМ важное место занимают выполненные на основе биполярных полупроводниковых проборов. Все они относятся к элементам потенциальных типов.

Отличительной чертой потенциальных сигналов представленных в виде логических схем являются:

– наличие связи по постоянному току между входами и выходами;

– возможность работы в асинхронном режиме.

Схемотехническая реализация ИС потенциального типа осуществляется на основе типовых базовых схем.

К одним из исторически первых сложившихся принадлежат транзисторные схемы с непосредственными связями (НСТЛ):

Достоинства:

• простота;

• малая потребляемая мощность;

• высокое быстродействие.

Недостатки:

• влияние на параметры схемы разброса выходных характеристик транзисторов.

Поэтому, обладая высоким коэффициентом объединённые по входу (m≥8) схемы НСТЛ не обеспечивают высокую нагрузочную способность (n≤4) и имеют низкую помехоустойчивость.

При построении схем НСТЛ требуется подбор транзисторов с одинаковыми входными сопротивлениями, что является существенным ограничением для использования в гибридных схемах.

Поэтому схемы НСТЛ не получили широкое распространение и используются в очень ограниченных сериях 102,103 п/п ИМС.

Дальнейшее улучшение характеристик транзисторных схем связано с созданием микросхем РТЛ и РЕТЛ.

В схемах РТЛ разброс входных сопротивлений компенсируется включением резисторов в базовые цепи транзисторов. Это позволяет увеличить помехоустойчивость, существенно снизить рабочие токи, обеспечить более высокое значение коэффициентов (n≥4, m≥8). Однако в схемах РТЛ значительно снижено быстродействие (t_зд=30÷50нс). На базе РТЛ разработаны следующие серии: 113, 114, 115, 201, 205, 216.

Система элементов на РТЛ применяется в устройствах, где не требуется высокое быстродействие, желательно малая потребляемая мощность, низкая стоимость схем, в частности в периферийных устройствах ЭВМ.

Для повышения быстродействия схем РТЛ параллельно базовому резистору включают форсирующие конденсаторы, которые ускоряют переходные процессы в элементах. В результате получается схема РЕТЛ.

Предельное быстродействие этой схемы t_зд=10÷15нс при сохранении n≥4, m≥8.

Схемы РЕТЛ просты и экономичны, допускают большие разбросы номиналов элементов и напряжений питания. Они используются в п/п ИМС серии 110, но ввиду большой площади, занимаемой конденсаторами, микросхемы на основе РЕТЛ наиболее удобны для реализации в гибридном исполнении, где они успешно применяются в сериях 204, 216 и др.

Элементы ДТЛ

Многие трудности связанные с применением транзисторных схем с непосредственными, резистивными, резистивно-ёмкостными связями, в частности, неравномерное распределение токов во входных цепях малое быстродействие, низкая помехоустойчивость, можно устранить, если во входную цепь логического элемента включить диоды.

При этом получается схема ДТЛ, с помощью которой в зависимости от включения и питания диодов можно реализовать функции И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Схемы ДТЛ универсальны и имеют относительно низкую стоимость.

Схемы ДТЛ широко применяются как для построения цифровых устройств, так и в устройствах автоматизирования. В них удачно сочетаются такие важные параметры как быстродействие, потребляемая мощность, помехоустойчивость.

Простейшая схема ДТЛ , реализуемая функцией И-НЕ имеет вид:

Схема содержит К_об входных диода, которые вместе с резистором R₁ образуют схему совпадения («И») для положительной логики.

Диоды D₅ и D₆ предназначены для увеличения порога запирания схемы, а, следовательно, для увеличения помехоустойчивости. Смещающие диоды D₅ и D₆ включают для того, чтобы подаваемое напряжение на входных диодах не повлияло на переключение транзистора.

Простой инвертор на выходе выключает операцию «НЕ» и формирует сигналы на выходе до стандартного уровня.

Необходимым элементом схемы является резистор R₂, который в закрытом состоянии инвертора задаёт ток через смещающие диоды. При подключении к резистору R₂ отдельного источника питания увеличивается быстродействие и порог запирания схемы.

Поскольку элементы логической операции «И» («ИЛИ») и «НЕ» осуществляются различными элементами схемы ДТЛ, легко увеличить число входов путём добавления входных диодов к точке Р (расширителя).

В этом преимущество ДТЛ по сравнению с ТЛНС, РТЛ и РЕТЛ.

На элементах ДТЛ, имеющих на выходе простой инвертор, легко реализовать функции «ИЛИ» простым объединением выходов нескольких элементов и подключением к источнику питания И_ип2 только одного резистора R₃ в любом из соединённых вместе по выходам элементов.

Подобную процедуру нельзя выполнять в схемах ДТЛ со сложным инвертором на выходе.

Дальнейшее совершенствование схем ДТЛ идёт по пути сокращения потребляемой мощности и усложнения инвертора с целью повышения нагрузочной способности (k≥20).

Сложный инвертoр состоит из фазоразделительного каскада (R₃,T₁,R₄) и выходного усилителя (R₅,T₂,T₃,T₄) – образуют эммитеры-повторитель, который обеспечивает уровень «1» при значительных токах.

Преимущества:

– схема имеет малое выходное сопротивление, как в открытом, так и в закрытом состояниях;

– схема обеспечивает большой выходной ток, как в процессе включения, так и выключения.

Схемы ДТЛ наиболее легко реализуются в п/п ИС, изготовленные по планарно-эпитексиальной технологии серии (104, 109, 121, 194) и находят применение в гибридных ИМС (217).

Элементы ТТЛ

Схемы ТТЛ широко применяются в цифровой технике. Для них характерно высокое быстродействие и малая потребляемая мощность.

Схемы ТТЛ появились в результате преобразования схем ДТЛ путём замены диодной матрицы многоэммитерным транзистором, представляющий собой интегральный элемент, объединяющий свойства диодных логических схем и транзисторного усилителя.

Функция «И» в ТТЛ-схеме выполняется в общих для нескольких эммитеров базовой и коллекторной областях.

МЭТ представляет собой совокупность нескольких транзисторных структур, имеющих общий коллектор и непосредственно взаимодействуют друг с другом только за счёт движения основных носителей заряда.

Если на все входы МЭТ подаётся напряжение, соответствующее уровню «1», то эмиттеры входного транзистора не получает открывающего тока смещения (нет достаточной разности потенциалов). При этом ток, задаваемый в базу МЭТ через R₁ от источника U_un проходит в цепь коллектора I_к, смещённого в прямом направлении, и далее в базу транзистора Т₂. Т₂ в этом случае находится в режиме насыщения и напряжение на выходе соответствует уровню «0».

Все транзисторные структуры МЭТ находятся в этом случае в инверсном активном режиме, так как их коллекторные переходы смещены в прямом, а эмиттеры в обратном направлении.

Когда на один из входов МЭТ подан сигнал «0», переход б-э МЭТ сместится в прямом направлении, ток проходя в цепь, уменьшается, транзистор закрывается на выходе.

Схемы ТТЛ с простым инвертором имеют низкую помехоустойчивость, малую нагрузочную способность, малое быстродействие однополярного ключа при работе на ёмкостную нагрузку, поэтому они не нашли широкого распространения. Их используют, в основном, как схемы с открытым коллектором для включения элементов индикации.

Возможные варианты использования ТТЛ с открытым коллектором.

Базовым элементом ТТЛ стал транзисторный ключ со сложным инвертором – двухполюсный ключ. Использование сложного инвертора позволило увеличить быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочную способность и снизить требования к параметрам транзисторов по сравнению со схемами ТТЛ с простым инвертором.

Промышленностью выпускаются несколько разновидностей серий ИМС ТТЛ:

– стандартные 133, К155;

– с высоким быстродействием 130, К131;

– микромощная серия 134;

– серии с диодами Шоттки 530, К531;

– микромощные с диодами Шоттки К555 и другие.

Разновидностью схем ТТЛ являются схемы ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ). Эти схемы имеют высокое быстродействие (t_зд.ср. ~3нс) благодаря тому, что в параллельный переход между Б-К включен диод Шоттки, используемый в качестве ограничивающего диода.

В интегральном исполнении транзистор и диод Шоттки образуют единую структуру, называемую транзистором Шоттки.

Схемы ТТЛШ работают при тех же условиях сигналов и питающих напряжений, что и обычные схемы ТТЛ.

Логические элементы серий ТТЛ могут быть образованы комбинированием двух базовых схем: логического элемента «И-НЕ» и расширителя по выходу «ИЛИ».

Вопросы для контроля:

1. Каковы недостатки схем с непосредственными связями?

2. Каковы достоинства и недостатки схем РТЛ?

3. На какие параметры схемы влияет использование сложного инвертора в схемах ДТЛ и ТТЛ?

4. Для чего используют диоды Шоттки в схемах ТТЛ?

5. В чем преимущество схемы ДТЛ с простым инвертором?

6. Где используются схемы ТТЛ с открытым коллектором?

Литература:

1. Схемотехника ЭВМ. Учебник для ВУЗов под редакцией Соловьева Г.Н. – М.; Высш.шк., 1985, с.34-38.

2. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.54-58.

3. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.24-31.

4. Микропроцессоры т.2/ Под редакцией М.Н.Преснухина – М.; Высш.шк., 1986, с.89-94.