1.1 Резисторно-транзисторные логические элементы

Резисторно-транзисторные элементы (RTL- элементы) появились одними из первых в микроэлектронике. Это были 60-е годы. Относительная простота их реализации на технологическом уровне тех лет позволяла выполнять интегральные схемы (ИС) малой степени интеграции. На рисунке 1.1 показана электрическая схема RTL-элемента, выполняющего логическую функцию 3ИЛИ-НЕ.

Рисунок 1.1 - Электрическая схема RTL - элемента 3ИЛИ-НЕ

Схема работает следующим образом. При отсутствии входного сигнала транзистор находится в закрытом состоянии, благодаря наличию смещающей цепи резистора R4. На выходе элемента при этом установлен высокий потенциал, соответствующий лог. 1. Если на любой из входов элемента подать лог. 1, то потенциал на базе транзистора повысится и транзистор откроется. На выходе логического элемента появится низкий потенциал - лог.0.

Недостатки RTL-элементов:

- низкая технологичность из-за необходимости применения различной технологии резистивных и активных элементов;

- высокая потребляемая мощность;

- низкое быстродействие;

- малые коэффициенты разветвления и объединения;

- низкая нагрузочная способность.

1.2 Диодно-транзисторные логические элементы

Представленный на рисунке 1.2 диодно-транзисторный базовый логический элемент (DTL-элемент) реализует логическую функцию И-НЕ. Функция И выполняется на диодной группе, а транзистор, как усилитель-инвертор, производит операцию НЕ.

Рисунок 1.2 - Электрическая схема DTL - элемента И-НЕ

Схема работает следующим образом. В исходном состоянии, когда на три входа поданы логические "1" (высокий уровень), с помощью смещающей цепи R1 транзистор Т1 устанавливается в открытое состояние и на выходе будет низкий потенциал лог.0. Если на любой из входов схемы подать низкий потенциал, то точка (А) окажется зашунтирована, базовый ток транзистора при этом уменьшится до полного закрывания транзистора и на выходе схемы появится лог.1. Таким образом, схема выполняет логическую операцию И-НЕ.

Основными недостатками элементов DTL-типа являются:

- низкая технологичность из-за разнородности применяемых полупроводниковых элементов;

- относительно низкое быстродействие из-за насыщенного режима работы транзистора, высоких постоянных времени входных цепей и высокого выходного сопротивления.

1.3 Транзисторно-транзисторные логические элементы

В настоящее время в интегральной схемотехнике транзисторно-транзисторные логические элементы (TTL- типа) и особенно с диодами Шоттки (TTLШ - типа) являются достаточно распространенными по сравнению с другими типами логических элементов. Они представляют собой технологически улучшенный вариант элементов DTL-типа. В TTL-элементах вместо диодов используются многоэмиттерные транзисторы. Схемы простейших TTL-элементов представлены на рисунках 1.3, 1.4.

На логическом элементе, приведенном на рисунке 1.3, выполняется функция 3И-НЕ. Элемент работает аналогично DTL-элементу, только вместо диодов применяется многоэмитерный транзистор.

Рисунок 1.3 - Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ

TTL-элементы можно усложнять и улучшать, используя дополнительные усилители. На рисунке 1.4 показан базовый TTL-элемент с фазоинвертором, использующийся в ИС низкой и средней степени интеграции.

Рисунок 1.4 - Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ с повторителем

На базе элемента И-НЕ может быть построен более сложный элемент, выполняющий логическую функцию 3И-2ИЛИ-НЕ (рисунок 1.5).

В настоящее время TTL-элементы применяются практически только в "силовых" логических схемах, во входных и в выходных цепях БИС, благодаря сочетанию таких качеств как высокая нагрузочная способность и быстродействие при относительно невысоком потреблении.

Широкое распространение получили микросхемы серии ТТL с диодами Шоттки, которые обладают более высоким быстродействием и низким потреблением в сравнении с обычными ТТL-схемами.

Рисунок 1.5 - Электрическая схема TTL - элемента типа 3И-ИЛИ – НЕ