24. Логические элементы ттл-логики, базовый элемент.

Транзисторно-транзисторные элементы.

Основная схема.

Д анная схема разработана специально для изготовления в монолитной структуре и на дискретных элементах не собирается. Все элементы выполняются на кремниевых транзисторах n-p-n типа. Эта схема аналогична элементу ДТЛ со смещающим диодом. Роль входных диодов выполняют эмиттерные переходы, а речь смещающего диода – коллекторный переход много-эмиттерного транзистора Vm.

Но аналогия носит формальный характер, т.к. связь между эмиттерным и коллекторным переходами, вызванная диффузией носителей в базе много-эмиттерного транзистора, приводит к качественно новым явлениям в данном элементе по сравнению с ДТЛ элементом

Е сли на входы элемента (эмиттера транзистора Vm) подать 1, то все транзисторные структуры работают в активном режиме. На схеме Е_к и R_к элементы предыдущих Л.Э. генерирующих сигнал 1 (запертые транзисторы).

Так как база Vm соединена через R₀ с источником Е₀ ,а коллектор подключен к базе VТ, потенциал которой гораздо ниже Е₀ , коллекторный переход Vm оказывается смещенным в прямом направлении и падение напряжения на нем невелико (U_кбм ≈0,1÷0,3В). Напряжение U_бэ открытого в это время транзистора VТ, так же составляет десятые доли вольт. Поэтому потенциал базы Vm относительно “земли” примерно равен 1В.

К эмиттерам транзисторов Vm приложено напряжение +Е_к (≈3В) и эмиттерные переходы работают в обратном смещении, т.е. инверсное включение транзистора Vm. И протекают входные токи i_вх за счет инжекции из коллекторного перехода в базу и эмиттеры. В отличии от ДТЛ, когда при1 сигнале все диоды закрыты и входные токи ≈0 , в ТТЛ- элементы при 1 сигнале протекают значительные токи.

i_вх определен i_бm= i_R0 и коэффициентом β_инв Vm. В многоэмиттерном транзисторе β_инв ≈0,1, поэтому входные токи небольшие, но все-таки нагружающие предшествующие элементы. Все входные токи i_вх добавляются к току базы Vm и вместе с тем образуют прямой ток базы i_б транзистора Vm, который выбирается достаточным для насыщения Vm и на выходе элемента будет напряжение, соответствующее логическому 0.

Пусть теперь на один из входов подан 0, а на остальные – 1. Рассмотрим состояние структуры Vm, состоящий из эмиттера (пусть Э₁), базы и коллектора. На эмиттер подан близкий к 0 потенциал U_вх1= U_вх(0). Как следует из схемы – эмиттерный переход оказывается смещенным в прямом направлении.

Это видно из того, что к базе Vm приложено через R₀ напряжение от источника E₀ [E₀>>U_вх (0)].

При прямом смещении эмиттерного перехода эмиттер инжектируется носителями, которые поступают в базу и ,достигая коллекторного перехода, создают коллекторный ток i_км , являющийся обратным током базы транзистора VТm (i_{б =} i_к0). Транзистор Vm оказывается закрытым и на выходе логический потенциал 1(у=1).

Благодаря, тому что обратный ток базы V замыкается через транзистор Vm, отпадает необходимость в резисторе R, через который замыкается ток в ДТЛ-элементе.

Заметим, что из-за малой величины i_км = i_б =I_к0 при большом токе базы i_бм= i_R0 ≈ транзисторная структура Vm⁽¹⁾ оказывается глубоко насыщенной, и, следовательно, коллекторный переход Vm смещен в прямом направлении. В тоже время на эмиттре остальных структур подается напряжение E_к (x₂=x₃=xn=1), и эмиттерные переходы этих структур смещены в обратном направлении и работают в инверсном режиме, кроме первой, и через входы протекают входные токи i_вх2 , i_вх3 , i_вхn , нагружающие предшествующие запертые элементы.

Из описания видно, что ТТЛ-элемент работает как ДТЛ-элемент, реализующий операцию И-НЕ.

ТТЛ-элемент со сложным инвертором.

Нагрузочная способность ТТЛ-элемента определяется не только в открытом (как в ДТЛ-элементе), но и в закрытом состоянии, потому что входные токи m-следующих элементов протекает по R_к и создают на нем падение напряжения, которое вызывает снижение U(1).

Большая величина выходного сопротивления приводит к ухудшению нагрузочной способности, поэтому во всех ТТЛ-элементах применяется сложный инвертор, принцип работы которого практически совпадает с работой сложного инвертора в схеме ДТЛ.

При x₂=x₃=…xn=1 транзисторы V1 и V3 насыщены, что обеспечивает запирание V2.

Нормальное смещающее действие обеспечивается при небольшом токе диода и практически на работу схемы влияния не оказывает.

При подаче 0 на один из входов транзисторы V1 и V3 запираются, а V2 переходит в активный режим и работает в качестве ЭП, который обеспечивает малое выходное сопротивление, и, следовательно, хорошую нагрузочную способность. Таким образом ТТЛ-элемент со сложным инвертором реализует операцию И-НЕ.

Если необходимо создать элемент, реализующий функцию И-ИЛИ-НЕ, то к точкам аб подключают параллельно расширители логики (комбинации многоэмиттерных транзисторов Vm и транзисторов V1).

Основные характеристики.

Быстродействие очень высокое из-за быстрого включения и выключения схемы. Малая задержка включения обеспечивается быстрым зарядом паразитных ёмкостей через малое выходное сопротивление предшествующего каскада.

Малая задержка выключения обусловлена большой величиной обратного рассасывающего тока базы транзисторов V1 и V3, замыкающемся через Vm; t_зад.ср ≈15÷30нс.

Применение диодов и транзисторов Шоттки позволяет сократить t_зад.ср до единиц наносекунд.

Число входов равно числу эмиттеров Vm и увеличение n связано с увеличением площади эмиттеров, а также увеличение числа выходов. Практически n ≤ 8.

Нагрузочная способность ТТЛ-элементов с простым инвертором очень плохая и поэтому в большинстве случаев используется сложный инвертор, который позволяет довести m=10.

Помехоустойчивость ТТЛ-элемента с простым инвертором оказываетяс низкой из-за малого запаса по запиранию транзистора V. Схема со сложным инвертором обеспечивает достаточную помехоустойчивость, т.к. потенциал отпирания двух последовательно включенных транзисторов V1,V3 равен сумме потенциалов транзисторов и ТТЛ-элемент обладает тоже высокой помехоустойчивостью, как и ДТЛ-элемент (0,5÷0,7В).

ТТЛ-элементы со сложным инвертором являются сами источниками сильных помех, т.к. при переключении все транзисторы элемента(V1, V2, V3) оказываются в активном режиме(V1 и V3 уже открылись, а V2 еще не закрылся).При этом в схеме протекают очень большие токи(20-25мА), образующие в шине питания ударно возбуждаемые затухающие колебания, которые наводятся в виде помех на соседние провода других элементов.(Требуются жесткие меры конструктивного характера(короткие провода, рациональное их расположение, включение блокировочных конденсаторов)).

Потребляемая мощность такая же как и в ДТЛ элементе, порядка десятков милливатт.