Вопрос 2.

Характеристики и параметры ЛЭ делятся на статические и динамические. Статические характеристики и параметры соответствуют установившемуся режиму работы ЛЭ, а динамические – переходному режиму работы ЛЭ. Основной статической является передаточная характеристика.

1. Передаточная характеристика Uвых=f(Uвх).

Передаточная характеристика инвертирующего логического элемента, по которой можно определить его статические параметры.

2. Статические параметры ЛЭ:

1. Напряжение питания Uп.

2. Входное и выходное напряжение низкого и высокого уровня U⁰ и U¹.

3. Логический перепад ∆Uл=U¹- U⁰.

4. Среднее пороговое напряжение Uпор = 0,5(Uпор⁰+ Uпор¹).

5. Ток, потребляемый от источника питания Iпот .

6. Входной и выходной токи низкого и высокого уровней Iвх⁰, Iвых⁰, Iвх¹, Iвых¹

7. Средняя потребляемая мощность Pпот ср = 0,5( Pпот⁰ + Рпот¹) (Потребляемая мощность в состоянии логического нуля и логической единицы).

8. Коэффициент разветвления по выходу Kраз равен числу входов ЛЭ, которые можно подключить к выходу данного элемента. Параметр характеризует нагрузочную способность ЛЭ.

9. Напряжение и статические помехи Uпом = min(Uпом⁰,Uпом¹) наибольший уровень статической помехи не нарушающий нормальную работу логического элемента, где Uпом⁰ = Uпор⁰ - U⁰ помехоустойчивость при низком уровне входного сигнала (допустимое включающее помехи), а Uпом¹ = Uпор¹ - U¹ при высоком уровне входного сигнала (допустимая выключающая помеха)

3. Динамические параметры – характеризуют свойства ЛЭ в режиме переключения и определяются путем сравнения по времени входного и выходного сигналов.

1. Время задержки распространения при включении tзд.р^1,0

2. Время задержки распространения при выключении tзд.р^0,1

3. Среднее время задержки распространения tзд.р.ср = 0,5(tзд.р^1,0 + tзд.р^0,1)

На ряду с понятием статической помехоустойчивости используют понятие динамической помехоустойчивости, характеризующее способность ЛЭ противостоять действию импульсных помех, длительность которых соизмерима с временем переключения логических элементов. Чем выше быстродействие ЛЭ, тем ниже его динамическая помехоустойчивость.

4. Характеристика динамической помехоустойчивости – это зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи Uдоп от его длительности tпом.

Для сравнительной оценки различных типов ЛЭ, в том числе изготовленных по разным технологиям, используют обобщенный параметр, называемый средней работой переключения

Aср=Pпот.ср *tзд.р.ср, который одновременно учитывает и потребляемую мощность и быстродействие. Чем меньше значение этого параметра, тем совершеннее технология и схемотехника ЛЭ.

14022012 Лекция 3

Логические элементы в униполярных транзисторах

Вопросы:

1. Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

2. Элементы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ)

3. Элементы интегральной инжекционной логики (И²Л)

Вопрос 1

1. Простейший элемент ТТЛ

Основной элементов ТТЛ является цифровой ключ с общим эмиттером ОЭ, в котором БТ или закрыт, или открыт в насыщенном режиме. Работа открытого БТ в режиме насыщения по сравнению с активным режимом уменьшает влияние дестабилизирующих факторов на статические параметры элемента, но снижает его быстродействие за счёт возрастания времени рассасывания избыточного заряда неосновных носителей в базе при запирании. Для реализации требуемой логической операции во входной цепи логического элемента используется многоэмиттерный транзистор. Элементы ТТЛ имеют напряжение питания 5 В, напряжение низкого уровня – меньше 0,4 В, напряжение высокого – 2 и выше В, логический перепад больше или равно 2 В. Что соответствует достаточно хорошей помехоустойчивости элементов ТТЛ.

При анализе в схемотехнике элементов ТТЛ будем полагать, что напряжение низкого уровня 0,2 В, высокого – 3,6В, напряжение КЭ – 0,7В, напряжение КЭ насыщения 0,2В.

Рассмотрим схему:

Входную часть схемы образует: МЭТ VT1 резистором R1 в базовой цепи. Остальная часть схемы представляет собой сложный инвертер, в состав которой входит: инвертирующий ключевой каскад с ОЭ на транзисторе VT2, R2, R3 и выходной каскад на транзисторах VT3, VT4, диоде VD, R4.

Резистор R1 задает базы транзистора VT1. R2 – коллекторная нагрузка VT2. Резистор R3 создает цель протекания тока рассасывания избыточного заряда в базе транзистора VT3 при его выходе из насыщения. R4 – ограничивает на безопасном уровне через транзистор выходного каскада, когда при выключении логического элемента VT4 уже открыт, а транзистор VT3 (выходя из насыщения) ещё не успел закрыться.

VD – обеспечивает закрытое состояние VT4 при открытом VT3.

Принцип действия:

Рассматривая принцип действия: положим, что на обоих входах действует напряжение низкого уровня (то есть 0,2 В). К базе транзистора VT1 через R1 приложено положительное напряжение питания, поэтому ЭП транзистора включены в прямом направлении. Потенциал базы транзистора VT1 = сумме входного напряжения и падения напряжения на ЭП = 0,9 В (0,2+0,7) и недостаточен для открывания последовательно включенных КП VT1 и ЭП VT2, для чего потребовалось бы 1,4 В. Поэтому транзисторы VT2, VT3 закрыты. Ток коллектора VT1 ничтожно мал, равен току обратного перехода. Потенциал коллектора VT1 ниже потенциала его базы. Поэтому коллекторный переход этого транзистора включен в прямом направлении, что соответствует режиму насыщения. Потенциал коллектора закрытого VT2 близок к напряжению источника питания, поэтому транзистор VT4, VD открыты. И через них от источника питания ток течет в нагрузку.

На выходе логического элемента действует напряжение Uвых= Uк2 – Uкэ4 – Uд = Uп – 2Uкэ = (5-1,4)= 3,6В = U¹. Такое состояние Лэ называют выключенным. Параметры элементов схемы подобраны таким образом, что в этом состоянии транзистор VT4 работает в активном режиме и выходной каскад является эмиттерным повторителем, обеспечивая малое выходное сопротивление и высокий коэффициент разветвления по выходу. То есть высокую нагрузочную способность ЛЭ.

На обоих входах 1 (или 3,6В). ЭП VT1 включены в обратном направлении, поэтому ток базы первого транзистора переключается из Э в К цепь. И втекает в цепь базы транзистора VT2, который открывается и входит в режим насыщения. В свою очередь часть тока Э VT2 втекает в базу VT3, который тоже открывается и входит в насыщение. При этом потенциал Б VT1 будет равен 2,1 В, что ниже потенциалов в эмиттерах. Потенциал К VT1 = 1,4, что ниже потенциала его Б, поэтому КП включен в прямом направлении и транзистор работает в инверсном режиме (роль К играет Э и наоборот). VT4, VD закрыты, а разность потенциалов между К VT2 и К VT3 недостаточна для открывания последовательно включенных ЭП VT4 и диода VD (требуется 1,4В). Таким образом, на выходе ЛЭ 0,2 В или U⁰. Такое состояние называется включенным.

По результатам анализа определим выполняемую логическую операцию.

U вх1=x1, Uвх2=x2, Uвых= y, U⁰=0, U¹=1

x1	x2	y
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Следовательно, у нас элемент И-НЕ.

Достоинства:

За счёт малого выходного сопротивления эмиттерного повторителя обеспечивается большая нагрузочная способность рассмотренного ЛЭ. Кроме того, относительно высокое быстродействие благодаря малой постоянной времени зарядки Cн через малое выходное сопротивление.

Недостатки:

Опасность выхода из строя VT1 за счёт пробоя его ЭП импульсами помехи отрицательной полярности. Низкая помехоустойчивость к включающей помехе Uпом⁰.

(см. передаточную характеристику выше)

Так как VT2 начинает отпираться при амплитуде сигнала примерно 0,7В, что обусловлено наличием цепи протекания тока Э VT2 через R3. Отпирание VT2 приводит к снижению потенциала его коллектора, а значит и потенциала Б VT4. В результате выходное напряжение ещё больше падает.

Отмеченные недостатки существенно снижены в модифицированном элементе ТТЛ.

Диоды VD1, VD2 ограничивают импульсы помехи отрицательной полярности в входных цепях на уровне -0,7В, защищая от пробоя ЭП VT1. Эти импульсы помехи образуются за счёт отражений на концах линий связи между ЛЭ при распространении по ним полезных импульсом положительной полярности. Такое явления возникает вследствие несогласованности волнового сопротивления линии с входным сопротивлением ЛЭ и называется «звоном». Поэтому диоды называются «антизвонными».

Цепь VT5, R5 обеспечивает начало отпирания транзистора VT2 при амплитуде включающей помехи 1,4В. Что в два раза по сравнению с предыдущей. Такое повышение помехоустойчивости объясняется тем, что в Э цепь VT2 последовательно с R3 включен ЭП VT5, без отпирания которого не откроется и VT2. В остальном схема работает аналогично.

2. Элементы ТТЛШ

Разновидность ТТЛ – элементы ТТЛШ, в которых вместо обычных диодов и транзисторов используют диоды и транзисторы Шотки. Транзисторы Шотки отличаются от обычных БТ тем, что параллельно его КП включен диод Шотки. Применение диода Шотки увеличивает быстродействие, так как такое включение не позволяет транзистору входит в режим насыщения.

Серии 530, 531 и серии 533, 555

В открытом диоде Шотки отсутствует инжекция неосновных носителей, поэтому не образуется их избыточный заряд, и нет потерь времени на его рассасывании, чем и объясняется очень малое переключение (0,1 нс)

Антизвонные диоды Шотки VD1, VD2 более эффективно противодействуют помехам ОП (ограничивают на уровне -0,3/-0,5 В).

tзд р ср элементов ТТЛ – десятки нс, ТТЛШ – на порядок меньше.