11.5. Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т.е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением R_К, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если R_К велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔU_Э вызовет изменение эмиттерного тока на ΔI_Э = ΔU_Э/R_Э. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔI_К ≈ ΔI_Э, а напряжение на нагрузке изменится на

ΔU_К = R_КΔI_К ≈ R_KΔI_Э . Если подставить в DU_К значение ΔI_Э, то ΔU_К =R_КΔU_Э /R_Э, откуда видно, что приращение напряжения на R_К больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в R_К /R_Э раз. А так как R_К » R_Э, то ΔUк » ΔU_Э.

Приращение входной мощности DP_вх = R_ЭDI_Э²_, а приращение выходной мощности ΔP_вых = R_КΔI_K² ≈ R_KΔI_Э² = R_K /R_Э ·ΔР_вх, т.е. оно больше ΔР в R_К /R_Э раз. Следовательно, ΔP_вых » DP_вх.

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход подается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на эмиттер (даже малое), приводит к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на резисторе R_К, т.е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

Лабораторная работа №3 «Элементы эвм»

Содержание:

1. Практическая реализация булевой алгебры логики на электронных элементах.

2. Логические элементы:

2.1. Логический элемент НЕ.

2.2. Логический элемент И.

2.3. Логический элемент ИЛИ.

2.4. Логические элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ.

3. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ).

4. Триггеры:

А. Асинхронный RS-триггер.

В. Синхронный однотактный RS-триггер.

D. Синхронный ассиметричный RS-триггер.

E. Двухтактный RS-триггер.

J. T – триггер.

K. JK – триггер.

В цифровых вычислительных машинах, устройствах автоматики и обработки информации используют устройства, осуществляющие логические операции.

Логическая операция - это преобразование по правилам алгебры логики (или булевой алгебры) входной цифровой информации в выходную.

Простейшее в функциональном отношении логическое устройство, выполняющее одну определенную логическую операцию над входными сигналами, называют логическим элементом.

В алгебре логики истинность суждения или высказывания о результатах той или иной логической операции обозначают символом 1, ложность - 0. Таким образом, логические переменные в алгебре логики принимают лишь два значения: единицу и нуль. Их называют двоичными переменными. Чтобы реализовать алгебру логики на электронных элементах, необходимо значение параметров этих элементов перевести на язык алгебры логики (0 или 1). Задавать значения параметров можно уровнем напряжения или полярностью импульсов.

Если сигналы подают в виде высокого (положительной или отрицательной полярности) и низкого (близкого к нулю) уровня напряжения, то такой способ подачи сигнала называют потенциальным. Если высокому уровню напряжения U1 приписывают значение "единица", а низкому U° - "нуль", то логику называют положительной (позитивной), в противном случае - отрицательной (негативной). Разность уровней единицы и нуля называют логическим перепадом Uл = U1 - U0. Он должен быть значительным, иначе нельзя будет четко отделить один уровень от другого.

Если сигналы подают в импульсной форме, то такой способ подачи сигнала называют импульсным. При этом логической единице соответствует наличие импульса, логическому нулю - отсутствие импульса (положительная логика). Сигналы, соответствующие 1 (или 0), могут быть на входе и выходе разными. Наибольшее распространение получили потенциальные логические элементы, так как их можно изготовлять по технологии интегральных микросхем.

Элементарные логические операции и типы логических элементов. Система логических элементов, на базе которой можно строить логическую схему любой сложности, называется функционально полной. Основными и наиболее простыми логическими элементами являются элементы, выполняющие операции отрицания (НЕ), конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ). Они составляют функционально полную систему и являются системой минимального базиса. Каждая из этих операций и логических элементов имеет и другое название (табл. 21.1). В этой таблице даны названия логических элементов, обозначение данной операции, показано, как читается запись операции, обозначаются логические элементы в функциональных схемах, а также таблица истинности для случая, когда имеется два входа и один выход. Таблица истинности содержит правила выполнения операций. В каждой ее строке записывают состояние сигналов на входах (х1, х2) и результат логической операции на выходе (у). В общем случае логический элемент может иметь n входов и n выходов.

Функционально полную систему могут обеспечить составные (комбинированные) логические элементы, выполняющие логические операции И - НЕ, ИЛИ - НЕ. Их названия, обозначения также даны в табл. 21.1.

Логические элементы выполняют как на дискретных приборах, так и методами интегральной технологии. Для большинства серий интегральных микросхем базисной системой являются логические элементы И - НЕ или ИЛИ - НЕ. Их выпускают в виде отдельных микроминиатюрных устройств в герметичном корпусе.

Рассмотрим логические элементы на полупроводниковых приборах. Логические элементы И и ИЛИ могут выполняться на резисторах, диодах, биполярных и полевых транзисторах и туннельных диодах. Элемент НЕ выполняется на транзисторах.

Составные логические элементы на разных ступенях могут выполняться на различных приборах (резисторах, диодах, транзисторах, как биполярных, так и полевых), т. е. могут иметь разные схемные варианты. В соответствии с конструкцией их называют логикой типа резисторно-транзисторной (РТЛ); диодно-транзисторной (ДТЛ); транзисторно-транзисторной (на биполярных транзисторах - ТТЛ; на полевых - р-канальная МОПТЛ, n-канальная МОПТЛ; на комплементарных полевых транзисторах - КМОП или КМОПТЛ; на транзисторах с эмиттерными связями - ТЛЭС или ЭСЛ).

Специфической логикой на транзисторах является инжекционная логика - И2Л, она не имеет аналогов в транзисторных схемах на дискретных элементах. Связь между ступенями логических элементов осуществляется либо непосредственно, либо через резистор, либо через RC-цепочку. Тогда в название логики добавляют соответствующие буквенные обозначения: НСТЛ - транзисторная логика с непосредственной связью; НСТЛМ - транзисторная логика с непосредственной связью на МОП-транзисторе; РЕТЛ - транзисторная логика с резистивно-емкостной связью.

2. Логические элементы.

2.1.Логический элемент НЕ.

Основные логические элементы в дискретном исполнении. Логический элемент НЕ (табл. 21.1) имеет один вход и один выход и выполняет операцию НЕ. Он представляет собой усилительный каскад на биполярном или полевом транзисторе, работающий в ключевом режиме. На рис. 21.1 показан элемент НЕ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ. Элемент предназначен для работы с сигналами положительной полярности в положительной логике. Транзистор T закрыт отрицательным потенциалом на базе, подаваемым от источника ЕБ. При подаче на вход элемента сигнала низкого уровня Uвх = U0, соответствующего логическому 0, транзистор остается закрытым, коллекторный ток равен нулю, т. е. через резистор RK ток не проходит и на выходе напряжение Uвых = +EK, т. е. высокого уровня U1, соответствующего логической 1.

При высоком уровне напряжения на входе Uвх = U1 транзистор находится в режиме насыщения, появляется коллекторный ток и на резисторе RK создается падение напряжения, примерно равное EK, а на выходе напряжение примерно равно нулю (Uвых = U0), т. е. будет логический нуль. Итак, если х = 0, то y = 1, если x = 1, то y = 0, т. е. элемент является инвертором - выполняет операцию отрицания.

Следует отметить, что если элемент выполнен на кремниевом транзисторе n-р-n-структуры, источник смещения EБ можно не включать, так как и при положительных потенциалах на базе (до 0,6 В) транзистор практически

закрыт.

2.2.Логический элемент И.

Логический элемент И (табл. 21.1) может иметь два (или более) входа и один выход и работать как при потенциальных, так и импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из последовательно включенных контактов реле. Рассмотрим работу элемента И, выполненного на диодах.

Элемент, предназначенный для работы с сигналами в виде напряжений (или импульсов) положительной полярности в положительной логике, показан на рис. 21.2, а. Он имеет три входа и один выход. Элемент реализует операцию И, если сигнал 1 появляется на выходе только тогда, когда одновременно на всех входах присутствует сигнал 1. При этом, если хотя бы на одном входе присутствует сигнал, соответствующий логическому нулю, он должен передаваться через открытый диод на выход и обеспечивать запирание тех диодов, на которые со стороны входа воздействуют сигналы, соответствующие логической 1. Будем считать, что сопротивление открытого диода Rдоткр << R, а потенциалы сигнала и источника питания E схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U0 < Е < U1.

Если на одном из входов цепи, например Bх1 действует сигнал U0, то диод Д1 будет открыт и ток пройдет по цепи +E, резистор R, диод Д1, источник U0. Все напряжение источника Е приложится к резистору R и на выходе напряжение окажется равным U0, т. е. сигнал на выходе - логический нуль. На остальных входах действует высокий потенциал U1, поэтому диоды закрыты, так как их анод подсоединен к зажиму на выходе с низким потенциалом U0, а катоды - к высокому положительному потенциалу U1.

Если на всех входах действует напряжение U1, то все диоды будут закрыты, ток в цепи +EK, R, закрытый диод, источник U1 не проходит и падение напряжения на резисторе R равно нулю. На выходе напряжение E > U1, что соответствует логической 1. Таким образом, если хотя бы на один из входов воздействует сигнал, соответствующий логическому нулю, сигнал на выходе также соответствует логическому нулю. Сигнал на выходе соответствует логической 1 только если сигналы на всех входах соответствуют логической единице.

На рис. 21.2,б, г, д показаны элементы, предназначенные соответственно для работы с сигналами отрицательной полярности в положительной логике, положительной (рис. 21.2, г) и отрицательной (рис. 21.2, д) полярности в отрицательной логике. Отметим, что один и тот же элемент может работать как от положительных, так и от отрицательных сигналов, но полярность включения источника питания для положительных сигналов должна быть положительной (+E), для о трицательных сигналов - отрицательной (-E). Работают элементы так же, как и элемент на рис. 21.2, а. Наиболее распространены элементы, показанные на рис. 21.2, а, д.

Элемент И может работать и без источника питания. В этом случае возможны только два варианта включения диода, причем элемент на рис. 21.2, в реализует операцию И только от сигналов отрицательной полярности в положительной логике, а элемент на рис. 21.2, е - только от сигналов положительной полярности в отрицательной логике. Элементы без источника питания менее предпочтительны, чем с источником питания.

3. Логический элемент ИЛИ.

Логический элемент ИЛИ (табл. 21.1) может иметь два (и более) входа, один выход и работать как при потенциальных, так и при импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из параллельно включенных реле.

Рассмотрим элемент ИЛИ, выполненный на диодах и предназначенный для работы от сигналов в виде напряжений (импульсов) положительной полярности в положительной логике. Для того чтобы элемент реализовал операцию ИЛИ, необходимо, чтобы сигнал на выходе имел значение 1 только тогда, когда хотя бы на одном из входов действует сигнал 1. При этом сигнал 1 на входе должен обеспечивать запирание всех диодов, на которые со стороны входа воздействует сигнал 0. Соотношение потенциалов источника сигналов низкого U0 и высокого U1 уровней и источника питания Е схемы такое же, как и в схеме элемента И: U0 < E < U1 (если U1 < E, то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии RДоткр ≈ 0.

Если на все входы подано низкое напряжение U0, все диоды закрыты, так как потенциал их анодов ниже потенциала катодов (φK = -E); следовательно, напряжение на выходе равно E < U1, т. е. на выходе сигнал соответствует логическому 0. При подаче хотя бы на один из входов, например Вх1, высокого напряжения U1 откроется диод Д1, который подключен к этому входу, а так как сопротивление открытого диода равно нулю, то потенциал φK = +U1 и на выходе имеется сигнал U1 (логическая 1). Если в это время на какие-то диоды со стороны входа будет подан низкий потенциал U0, они окажутся закрытыми, так как их катодам сообщится потенциал φK = +U1. Таким образом, на выходе сигнал будет соответствовать логической 1, если хотя бы на одном из входов (или первом, или втором, или третьем) сигнал соответствует логической 1.

равним рис. 21.3, а, на котором показан элемент ИЛИ, предназначенный для работы от сигналов положительной полярности в отрицательной логике, с рис. 21.2, г. Они одинаковы. Таким образом, можно отметить, что элемент ИЛИ в положительной логике может выполнить операцию И в отрицательной логике, и наоборот. Все элементы И на рис. 21.2 в другой логике, чем для элемента И, реализуют операцию ИЛИ.

Элемент ИЛИ, как и элемент И, может не содержать источника питания. Элемент на рис. 21.3,б предназначен для работы от сигналов положительной полярности в положительной логике, а на рис. 21.3, в - от сигналов отрицательной полярности в отрицательной логике. Сравнение этих элементов ИЛИ с элементами И на рис. 21.2, в, е подтверждает, что оба элемента могут выполнять обе операции: и И, и ИЛИ; элемент И (ИЛИ) - в положительной логике, в отрицательной логике - ИЛИ (И).

2.4. Логические элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ.

Операции ИЛИ - НЕ и И - НЕ образуются путем инверсии результатов, получаемых при выполнении операции ИЛИ и И соответственно:

ИЛИ – НЕ (21.1)

И - НЕ (21.2)

что видно из таблицы истинности для двух входных элементов (табл. 21.2).

Входные переменные		Или y = x1+x2	И y = x1x2	ИЛИ-НЕ	И-НЕ
Х1	Х2
0 0 1 1	0 1 0 1	0 1 1 1	0 0 0 1	1 0 0 0	1 1 1 0

Элемент, выполняющий операцию И - НЕ в положительной логике (табл. 21.3), в отрицательной логике выполнит операцию ИЛИ - НЕ (табл. 21.4).

И-НЕ ИЛИ-НЕ

Х1	Х2	У	Х1	Х2		У
0 0 1 1	0 1 0 1	1 1 1 0	0 0 1 1	0 1 0 1	1 1 1 0

Логические элементы в интегральном исполнении предназначают для работы с сигналами в потенциальной форме. Они могут выполняться по логике разных типов. Тип логики влияет на характеристики элемента. В интегральных микросхемах чаще используют кремниевые транзисторы n-p-n-типа (см. замечание к элементу НЕ). В режиме насыщения напряжение между эмиттером и коллектором таких транзисторов сравнительно велико (0,4 В и выше).

Логический элемент И - НЕ диодно-транзисторной логики (ДТЛ). Входные сигналы подаются на элемент И, выходной сигнал снимается с элемента НЕ. Таким образом, на выходе элемента И - НЕ сигналом будет логическая 1, если на входе элемента НЕ присутствует сигнал, соответствующий логическому 0. Чтобы это имело место, хотя бы на один вход элемента И должен быть подан сигнал, соответствующий логическому 0. Логический элемент И - НЕ для сигналов положительной полярности показан на рис. 21.4. Он представляет собой соединение через диоды Дс двух элементов: диодного элемента И и транзисторного элемента НЕ (см. соответственно рис. 21.2, а и рис. 21.1). При этом элемент НЕ не имеет источника смещения EБ, исходя из сделанного ранее замечания о работе кремниевых транзисторов. Кроме того, значения напряжений, соответствующих логическим 0 и 1, необходимо выбрать должным образом, так как при напряжении на базе, несколько меньшем 0,6В, транзистор будет закрыт, а в режиме насыщения напряжение между эмиттером и коллектором равно 0,4 В (и выше).

Рассмотрим работу элемента. Если на все входы подано напряжение U1 (логическая 1), все диоды (Д1 Д2, Д3) будут закрыты и ток в цепи источник E1, резистор R1, открытые диоды Дc пройдет в базу транзистора. Вследствие падения напряжения на резисторе R1 потенциал φ1 окажется несколько ниже потенциала +E1, диод Д1 будет открыт и потенциал базы φБ транзистора меньше потенциала φ1 на значение падения напряжения на диодах Дc (но выше 0,6В, так что транзистор будет находиться в режиме насыщения). На выходе элемента НЕ установится низкое напряжение U0, соответствующее логическому 0. Если хотя бы на один вход, например Вх1, будет подано напряжение U0, то соответствующий диод Д1 будет открыт и потенциал φ1 будет ≈ U0. Ток от источника E1 будет проходить через резистор R1. Часть тока замкнется через открытый диод Д1; источник U0, источник E1, часть - через смещающие диоды Дc, резистор R2 и источник E1. Потенциал базы φБ = UБЭ будет ниже потенциала φ1 на значение падения напряжения на смещающих диодах Дc. При этом элемент рассчитывают таким образом, чтобы падение напряжения на диодах Дc было таким, чтобы φБ = UБЭ > 0, но значительно меньше 0,6В. В этом случае транзистор будет закрыт и на выходе элемента НЕ напряжение окажется равным EK > U0, т. е. получим логическую 1.

Логический элемент И - НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Простейший элемент И - НЕ показан на рис. 21.5, а. Он состоит из двух частей: элемента И на многоэмиттерном транзисторе Т1 и элемента НЕ на транзисторе Т2. Связь непосредственная: коллектор Т1 соединен с базой транзистора Т2. Смещение в цепи базы транзистора Т2 выполняет коллекторный переход Т1. Три эмиттерных перехода Т1 подключенных к входу элемента (рис. 21.5,б), выполняют функции входных диодов в схеме И на диодах.

По сравнению с ДТЛ-элементами элементы ТТЛ обладают более высоким быстродействием. Элемент выполнен по технологии интегральных микросхем, поэтому он не содержит реактивных элементов. Он работает от сигналов в виде напряжений положительной полярности.

Рассмотрим принцип работы подобных элементов. Если на все входы подать напряжение U1, то все эмиттерные переходы сместятся в обратном направлении. Потенциал коллектора транзистора Т2 окажется близким нулю, переход база - коллектор смещен в прямом направлении за счет источника +EK. Транзистор T1 будет в инверсном режиме, транзистор Т2 - в режиме насыщения. Коллекторный ток транзистора T1 втекает в базу транзистора Т2, оставляя последний в режиме насыщения. Таким образом, на выходе будет напряжение низкого уровня U0, т. е. логический 0.

Если на один из входов подано напряжение U0, то потенциал базы транзистора T1 станет выше потенциалов эмиттера и коллектора, поэтому T1 окажется в режиме насыщения и ток базы замкнется через эмиттерные переходы T1 и не поступит в его коллектор, а следовательно, и в базу T2. Поэтому транзистор T2 будет закрыт, а на его выходе - напряжение высокого уровня (логическая 1). Таким образом, элемент выполняет операцию И - НЕ, так как сигнал логического нуля на выходе может быть только тогда, когда на все входы будет подан сигнал логической единицы.

В промышленности для повышения нагрузочной способности логических элементов ДТЛ и ТТЛ используют схемы со сложным инвертором. Рассмотрим работу универсального логического элемента И - НЕ со сложным инвертором на выходе в интегральном исполнении (рис. 21.6). Операция И выполняется входным многоэмиттерным транзистором T1. Инвертирование фазы сигнала осуществляется сложным инвертором на транзисторах Т2, Т3, Т4, питание элемента - источником постоянного напряжения ЕK = 5В. Элемент работает от входных импульсов напряжения прямоугольной формы с уровнями: U1 = 3,3В (логическая 1), U0 = 0,1В (логический 0).

Пусть на оба входа относительно общей заземленной шины одновременно поданы положительные импульсы напряжения U1 = 3,3В. В этом случае оба эмиттерных перехода транзистора T1 закрыты, так как они имеют обратное смещение. Транзисторы Т2 и Т4 находятся в режиме насыщения. Ток проходит по цепи (рис. 21.6) +EK, R1, открытый коллекторный p-n-переход транзистора T1, эмиттерно-базовые переходы насыщенных транзисторов Т2 и Т4, 0. Многоэмиттерный транзистор T1 находится в инверсном режиме включения. Так как транзистор Т2 открыт и находится в насыщении, между точками А и В элемента имеется малый перепад напряжения, из которого вычитается падение напряжения на диоде Д. В силу этого транзистор Т3 надежно закрыт и находится в режиме отсечки. Насыщенный транзистор T4, представляя собой в этом режиме эквипотенциальную точку, подсоединяет узел С схемы к заземленной точке Д, закорачивая тем самым сопротивление нагрузки RH. Таким образом, на выходе напряжение равно логическому нулю. Появление хотя бы на одном входе T1 импульса напряжения низкого уровня приводит к открытию соответствующего эмиттерного перехода T1. Транзистор T1 выходит из инверсного режима, а транзисторы Т2 и T4 закрываются, так как их базовые токи становятся равными нулю. В это время входит в насыщение транзистор Т3. Его базовый ток насыщения протекает по цепи +EK, R2, эмиттерно-базовый переход Т3, прямо включенный диод Д, сопротивление нагрузки RH, -EK. На сопротивлении R падает напряжение Uвых ≥ 3,3B, что соответствует логической единице.

Логический элемент ИЛИ - НЕ п-канальной МОП-транзисторной логики (МОПТЛ). В логических схемах на полевых транзисторах используют только МОП-транзисторы с диэлектриком SiO2. Основные преимущества схем на МОП-транзисторах по сравнению с другими схемами - высокая степень интеграции и повышенная помехоустойчивость.

Рассмотрим схему ИЛИ - НЕ на МОП-транзисторе с индуцированным n-каналом (рис. 21.7). В отличие от рассмотренных ранее схем в ней вместо нагрузочного резистора RK имеется МОП-транзистор (на схеме рис. 21.7 он обозначен ТK). Это связано с тем, что нагрузочный резистор сильно увеличил бы площадь схемы. Логические транзисторы Т1 и Т2 включены параллельно. Входное напряжение на каждом из них равно напряжению затвора: UВХ1 = UЗИ1, UВХ2 = UЗИ2; выходное напряжение равно напряжению стока: UВЫХ = UСИ. Напряжение питания обычно выбирают в три раза большим порогового Uпор (Uпор - напряжение на затворе, при котором образуется канал).

Если Uпор = 2,0В, то логический перепад (разность между входным и пороговым напряжениями) составляет 4 В. Логические уровни соответствуют выходным напряжениям открытого и закрытого транзисторов. Если на оба входа подать напряжение меньше порогового (соответствующее логическому нулю), то транзисторы T1 и Т2 окажутся закрытыми, а ток стока - практически равным нулю. При этом ток стока нагрузочного транзистора ТK тоже будет равен нулю. Поэтому на выходе установится напряжение, близкое к напряжению источника питания ЕC и соответствующее логической 1.

Если на вход хотя бы одного транзистора подать напряжение, превышающее пороговое (соответствующее логической 1), то этот транзистор откроется и появится ток стока. Тогда на выходе схемы будет остаточное напряжение, значительно меньшее порогового, что соответствует логическому 0.

Следует отметить, что схемы на МОП-транзисторах менее быстродействующие, чем на биполярных. Это связано со скоростью перезарядки выходной емкости, которая весьма значительна. Все способы повышения быстродействия ведут к появлению других существенных недостатков.

Аналогично работает (с учетом полярностей) схема ИЛИ - НЕ с р-канальными МОП-транзисторами. Тип схемы влияет на характеристики (потребляемая мощность, быстродействие и др.), но принцип работы схемы остается неизменным. Рассмотрим особенности схем тех типов логик, которые не были рассмотрены ранее.

МОП-транзисторная логика на комплементарных транзисторах (КМОП). Схема строится на комплементарных МОП-транзисторах. В качестве логических используются два транзистора, один из которых с n-каналом, а другой - с р-каналом. Логические ИМС на их основе являются наиболее перспективными. Мощность, потребляемая ими в статическом режиме, составляет десятки нановатт, быстродействие около 10 МГц, они обладают большим логическим перепадом. Однако технология изготовления транзисторов с р- n-каналами на одном кристалле сложна и трудоемка.

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). Основу этой группы ИМС составляет переключатель тока, представляющий собой ключевой элемент на транзисторах с объединенным эмиттером. Такие логические ИМС наиболее быстродействующие.

Интегральная инжекционная логика (И2Л). Эта логика не имеет аналогов в дискретном исполнении и является новым направлением, которое способствует миниатюризации цифровых приборов. В основе построения микросхем на И2Л используется базовая структура, состоящая из комплементарной пары биполярных транзисторов. Транзистор p-n-р работает в режиме источника тока (выполняет функции инжектора носителей заряда), а многоэмиттерный транзистор n-p-n работает как инвертор. Поэтому эту логику можно назвать логикой с инжекционным питанием. Один элемент И2Л занимает очень малую площадь, и потребляемая им мощность незначительна. Поэтому множество таких элементов можно объединить в схему с высокой степенью интеграции.

3. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ).

Совершенно новое направление, которое возникло в ходе эволюции ИС, применяемых в цифровой электронике, связано с ТТЛ-семейством. Оно состоит из логических схем, быстрое развитие которых связано с их более высоким быстродействием по сравнению с РТЛ-и ДТЛ-схемами и, кроме того, с более простой технологией изготовления. Последнее обстоятельство имеет важное значение с точки зрения затрат и организации производства. Хорошие характеристики ТТЛ-схем и существенное снижение их стоимости в последние годы привели к тому, что в настоящее время это семейство нашло широкое распространение.

На рис. 6 приведена базовая схема из серии 7400. Входным элементом является многоэмиттерный транзистор, который на первый взгляд усложняет ТТЛ - схему, однако если представить эмиттеры с общей базой в виде нескольких диодов и переход коллектор - база в виде диода, то схема становится более удобной и простой для понимания (рис. 6, б). Отсюда сразу же видна взаимосвязь между ТТЛ- и ДТЛ - схемами.

Если эмиттерные входы связаны с логическими выходами (предшествующих схем), которые обеспечивают высокий уровень (т. е. напряжение 3,3 В и выше), то диоды база - эмиттер окажутся запертыми и транзистор T2 будет управляться через R1. За счет контактной разности потенциалов на диодных переходах база - эмиттер транзисторов T2 и T4 и база - коллектор транзистора T1, база T1 будет находиться под напряжением 2,2 В по отношению к земле. При напряжении на эмиттерах 3,3 В и выше происходит запирание диодов база - эмиттер транзистора T1. При этом транзистор Т2 управляется через диод база-коллектор T1 и R1. Транзистор Т2 управляется в насыщенном режиме. В результате T4 также управляется по базе, а T3 запирается. Выходное напряжение этой ТТЛ-схемы при полностью проводящем T4 и запертом T3 составляет -0,2 В, и этот уровень мы определяем как логический низкий уровень. Итак, когда на все входы подано напряжение высокого уровня (А, В и С находятся под напряжением +3,3 В и выше), на выходе схемы появится напряжение низкого уровня. И наоборот, если мы соединим один из входов, например А, с L-выходом какой-то другой схемы (напряжение 0,2В), то диод база - эмиттер на входе А станет проводящим. Так как при этом база T1 находится под напряжением 2,2В, а эмиттер -под напряжением 0,2 В, то соответствующий входной диод включится в прямом направлении. Входное напряжение понизит напряжение на базе T1 до уровня ~ 0,9 В, т. е. T2 и T4 станут неуправляемыми. Оба транзистора запираются, и напряжение на коллекторе T2 повышается. Транзистор T3 становится проводящим, и выходное напряжение повышается до ~ 3,3В. Таким образом, на выходе этой ТТЛ-схемы появляется напряжение высокого уровня. То же происходит и с другими эмиттерными входами. Итак, если на один или несколько входов одновременно подается напряжение низкого уровня, на выходе схемы появляется напряжение высокого уровня. Таким образом, эта схема оказывается схемой И-НЕ для высоких уровней и ИЛИ-НЕ -для низких уровней. Таблица истинности для этой схемы нам уже известна. Преимущество применения многоэмиттерного входа по сравнению с однодиодным входом (как в случае ДТЛ-схем) заключается в том, что в случае входных сигналов низкого уровня входной элемент работает как транзистор. Напряжение на коллекторе транзистора T1 в момент подачи сигнала на вход приблизительно равно 2,2В, а напряжение на эмиттере - около +0,2 В относительно земли. Его база, связанная через R1 с UB, в нормальном режиме имеет положительный потенциал по отношению к эмиттеру. Заряд, возникающий при этом из-за эффекта накопления в базе транзистора T2, быстро рассасывается через транзистор T1, что существенно влияет на скорость переключения всей ТТЛ-схемы в целом. Оконечный элемент этой схемы, работающий в двухтактном режиме, называется в специальной литературе каскадным выходом. Достоинство его применения заключается в том, что рассматриваемая схема быстро переключается как на низкий, так и на высокий уровень. Сигналы каскадного выхода имеют хорошие передние и задние фронты (т. е. короткие времена нарастания и спада выходного сигнала). Его недостатком является то, что при реализации функции ИЛИ выходы этой схемы не удается переключать одновременно. Приходится снова применять функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ. Для этого в составе серии 7400 имеется специальная схема с ТТЛ-структурой, но без оконечного элемента типа каскадного выхода. Она имеет открытый коллектор, к которому можно присоединить снаружи соответствующий коллекторный резистор или же внешний транзистор для управления мощными схемами.