2.2.3. Ттл елемент із складним інвертором.

У мікросхемах ТТЛ використовуються складні інвертори, які підвищу­ють швидкодію і навантажувальні здатність елементів. Схема базового (типово­го) елемента ТТЛ із складним інвертором містить три основних каскади (рис. 2. 13, а):

1. Вхідний каскад, який реалізує операцію І (транзистор VT1, резистор R1). До усіх входів БЕТ демпферуючі (антидзвінні) діоди, які обмежують вплив імпульсів перешкод від’ємної полярності.

2. Фазоінверсний каскад (транзистор VT2, резистори R_К і R_Е), що керує вихідними транзисторами за допомогою протифазних змін напруги на колек­то­рі і емітері VT2.

3. Вихідний двоканальний підсилювач (транзистори VT3, VT4, діод змі­щення VD3, резистор R₀). Складний інвертор створюється спільною робо­тою фазоінверсного і вихідного каскадів.

При збігу високих рівнів напруг на входах логічного елемента БЕТ пере­микається в інверсний режим і своїм колекторним струмом відкриває транзис­тор VT2. Частина емітерного струму транзистора VT2 проходить на базу тран­зи­стора VT4 і відкриває його. Після швидкого розряду паразитної ємності С_п через колектор насиченого транзистора VT4 на виході встановлюється низький рівень напруги. При цьому транзистор VT3 – закритий, оскільки напруга, що прикладена до послідовно включених переходів бази і діода VD3, недостатня для його відкривання.

При подачі на один із входів ЛЕ напруги низького рівня БЕТ перемика­ється в режим насичення, струм його колектора дорівнює нулю, внаслідок чого закриваються транзистори VT2 і VT4. При цьому відкритий транзистор VT3 пра­цює в режимі емітерного повторювача: на його вхід надходить високий рі­вень напруги з колектора закритого транзистора VT2, а навантаженням слугує опір закритого транзистора VT4. Емітерний повторювач передає на вихід висо­ку напругу

U_OH=U_СС-2U^*,

де 2U^* - падіння напруги на двох послідовно ввімкнених переходах – ба­зи тран­зистора VT3 і діода VD3. Повторювач створює на навантаженні струм, який у 50-100 раз перевищує його вхідне значення. Це забезпечує швид­кий за­ряд пара­зитної ємності С_п. Часові діаграми роботи ТТЛ елемента співпа­дають з рис 2.8.

У процесі перемикання є короткочасний інтервал, коли транзистор VT4 уже відкритий, а VT3 – ще не встиг закритися. При цьому виникає значний ім­пульс струму від джерела живлення на землю (наскрізний струм). Для змен­шен­ня амплітуди наскрізного струму в колекторі транзистора VT3 встановлено обмежувальний резистор R₀=100…200 Ом.

Розглянута схема елемента ТТЛ із складним інвертором є типовою для ТТЛ серій К131, К133, К155 та ін.

Принцип роботи транзисторів Шоткі.

Елементи ТТЛШ в порівнянні з ТТЛ мають вищу швидкодію і меншу споживану потужність, що досягається застосуванням діодів Шоткі. Принцип роботи діода Шоткі базується на використанні потенціального бар’єру, що ут­во­рюється в приконтактній області між металом і напівпровідником. У діодах Шоткі не має накопичення та розсмоктування заряду викликаного неосновними носіями заряду. Час перемикання діодів Шоткі дуже малий (до 1 нс) і не зале­жить від температури. Падіння напруги на переході в діодах Шоткі становить 0,3-0,4 В.

У режимі насичення на колекторі кремнієвого транзистора діє пряма напруга U_КБ=0,7 В, внаслідок чого колектор відкривається й інжектує електро­ни в базу. Це викликає затримку вимикання, обумовлену часом розсмоктування t_роз (рис. 2.14, а). При наявності між базою та колектором діода Шоткі (рис. 2.14, б) колектор при відкриванні транзистора не переходить у режим насичен­ня, оскільки пряма напруга U_КБ=0,4 В. Транзистор з діодом Шоткі між базою і колектором називають транзистором Шоткі (рис. 2.14, в).

Транзистор Шоткі не переходить у режим насичення і виключає­ться затримка вимикання, а швидкодія збільшується приблизно в 3-5 разів.

Елементи ТТЛШ серії К530, К531

С хема типового елемента ТТЛШ К530 і К531 зображена на рис. 2. 15. Елемент реалізує операцію НЕ І для двох змінних Х₁ і Х₂.

Порівняно з елементом ТТЛ із складним інвертором (див. рис. 2. 13) в схеми ТТЛШ серії К530 і К531 внесені такі змінні:

• використовуються тільки діоди і транзистори Шоткі (за винятком транзистора VT4, що не переходить у режим насичення);

• у фазоінверсний каскад додано керуюча ланка (транзистор VT6, рези­стора R₃ і R₄), який зміщує поріг вимикання елемента в сторону вищих вхідних напруг, завдяки чому підвищується завадостійкість схеми;

• у вхідний каскад ввімкнено схему Дарлінгтона на транзисторах VT3 і VT4, яка подвоює значення коефіцієнта підсилення базового струму, що забез­пе­чує великі струми у навантаженні та підвищує швидкодію елемента;

• у колекторі транзистора VT4 включений транзистор R₆, який обмежує амплітуду наскрізного струму від джерела живлення на загальний вивід в моме­нти перемикання вихідних транзисторів; резистор R₅ забезпечує проходження оберненого струму І_К0 транзистора VT4.

Схема працює аналогічно елементу ТТЛ із складним інвертором.

Елемент ТТЛШ серії К533, К535

С хема типового елемента ТТЛШ серії К533 і К535 показана на рис. 2. 16. Елемент реалізує операцію НЕ І для двох змінних Х₁ і Х₂.

У схемі даного елементу не застосовують БЕТ. Вхідний каскад утворю­ється схемою збігу на діодах VD3, VD4 і резисторі R1. Колектор транзистора VT2 додатково сполучений з базою транзистора VT4 через діод VD5 і резистора R5; це сприяє зменшенню часу перезарядки паразитних ємностей наванта­ження. При збігу високих рівнів вхідних напруг діоди VD3 і VD4 закриваються і струм від джерела живлення через резистор R1 відкриває транзистор VT2; при цьому вмикається також транзистор VT5 і на виході встановлюється низький рівень напруги.

Якщо на один із входів подати низький рівень напруги, то даний діод відкривається і через нього протікає струм, який створюється джерелом жив­лен­ня через резистор R1, в цьому випадку транзистори VT2 і VT5 закриті і схема Дарлінгтона встановлює високий рівень вихідної напруги.

Елемент ТТЛШ серії КР1531, КР1533

Елементи ТТЛШ нових серій КР1531 (умовна назва FAST) і КР1533 (умовне позначення ALS) виготовляються за технологією «ізопланар 11», яка використовує іонну імплантацію (точне дозоване впровадження атомів доміш­ки), прецизійну фотолітографію, що дозволяє у вісім разів зменшити площу, яку елементи займають у кристалі. Істотно зменшені споживана потужність і робота перемикання, вхідні струми при низьких рівнях напруги (І_IL≤0,1 мА). Схема типового елемента ТТЛШ серії КР1531 показана на рис. 2.17. Елемент реалізує операцію НЕ І для двох змінних Х₁ і Х₂.

У розглянутому елементі на виході діодної схеми збігу увімкнутий дода­тковий підсилювач на транзисторі VT1. При збігу високих вхідних рівнів нап­руги діоди VD3 і VD4 закриваються, а транзистор VT1 відкривається. Струм емітера створює на резисторі R8 падіння напруги, яке керує фазоінверсним кас­кадом. Додаткові діоди VD6 і VD7 ємнісними струмами своїх переходів прис­корюють процес перемикання транзистора VT1.

У елементах серії КР1533 (рис. 2.18) як діоди схеми збігу використову­ють емітерні переходи p-n-p транзистора VT7 і VT8. Переходи закриті при співпадінні високих рівнів напруг на входах; відкриваються транзистори VT1, V T2, VT5 і VT6. Якщо хоча б на один із входів подано низький рівень, то струм, що протікає через резистор R1, замикається на загальний вивід по колу емітер – колектор p-n-p транзистора. Внаслідок цього транзистори VT1, VT2, VT5 і VT6 закриваються, а VT3, VT4 – відкривається. Застосування схеми збігу на перехо­дах p-n-p транзисторів дозволило, в порівнянні із ТТЛШ серії КР1531, зменши­т и у 20 разів вхідний струм І_IL, що виходить із входів.