7. Транзисторно-транзисторная логика

Основное отличие логических элементов ТТЛ от ДТЛ логических элементов состоит в том, что в ТТЛ логических элементах входные диоды заменены одним многоэмиттерным транзистором (МЭТ). В первом приближении p–n переходы база–эмиттер многоэмиттерного транзистора VT1 можно считать входными диодами как у схем ДТЛ, а переход база–коллектор многоэмиттерного транзистора, – помехозащитным диодом в базе фазоразделительного каскада. Так эта схема ТТЛ и работает при уровне логической единицы на входах A, B и C. Когда же на один из входов поступает логический ноль, многоэмиттерный транзистор VT1 становится транзистором, включенным по схеме ОБ.

При таком переходе входа многоэмиттерного транзистора из логической единицы в логический ноль транзистор фазоразделительного каскада VT2 из открытого (насыщенного) состояния переходит в закрытое, при этом накопленный в базе VT2 заряд быстро рассасывается через открытый многоэмиттерный транзистор VT1, что существенно уменьшает время переключения всего ТТЛ элемента по сравнению с ДТЛ.

Особенностью многоэмиттерного транзистора в открытом состоянии является отсутствие прямого взаимодействия эмиттеров между собой, т.к. их разделяют участки базы. Можно считать, что многоэмиттерный транзистор во включенном состоянии, – это несколько транзисторов, имеющих общий коллектор.

Рис. 7.1. Схема простейшего логического элемента транзисторно–транзисторной логики

Трехтранзисторный выходной инвертор ТТЛ, отличается от рассмотренного ранее при анализе ДТЛ логического элемента, введением диода VD1 в эмиттерную цепь верхнего транзистора VT4 двухтактного выходного каскада. Этот диод обеспечивает более надежное запирание транзистора VT4 при логическом нуле на входе логического элемента.

Развитие схемотехники ТТЛ вентиля (логического элемента) привело в основном к следующему:

1) введению антизвонных диодов (VD1…VD3 на рис. 7.2) на входах схемы (ведены во все сериях ТТЛ);

+ 5В

Рис. 7.2. Схема усовершенствованного логического элемента транзисторно–транзисторной логики

2) замене эмиттерного сопротивления R3 фазоразделительного каскада на генератор тока, схема которого собрана на VT6, R4, R5 (называется иногда динамической нагрузкой), который обеспечивает быстрое рассасывание накопленных зарядов в области базы нижнего транзистора VT5 выходного двухтактного каскада при закрывании этого транзистораVT5;

3) замене выходного эмиттерного повторителя верхнего транзистора VT4 выходного двухтактного каскада на составной эмиттерный повторитель на двух транзисторах VT3 и VT4, для уменьшения выходного сопротивления в состоянии логической единицы на выходе, для выравнивания этого сопротивления с сопротивлением при логическом нуле на выходе;

4) замене всех или части транзисторов логических элементов транзисторами Шоттки (Schottky) для уменьшения времени их переключения.

Комбинации 2, 3 и 4 изменений, а также значения внутренних резисторов определяют различия между сериями ТТЛ, при этом изменяются быстродействие и потребляемая микросхемами мощность.

7.1. Транзисторы Шоттки

Транзисторы Шоттки отличаются от обычных тем, что они не входят в глубокое насыщение, следовательно, в их базах в открытом состоянии накапливается мало носителей заряда, и в результате время их рассасывания меньше обычного.

Эффект Шоттки снижает напряжение открывания кремниевого p–n перехода от обычных 0,5 ... 0,7 В до 0,2 ... 0,3 В и значительно уменьшает время жизни неосновных носителей в полупроводнике. Эффект Шоттки основан на том, что в p–n переходе или рядом с ним присутствует очень тонкий слой металла, богатый элементами, свободный носителями.

Транзистор Шоттки можно представить как обычный транзистор с диодом Шоттки, включенном между его базой и коллектором, как показано на рис. 7.1.1.

Рис. 7.1.1. Транзистор Шоттки, представленный как обычный транзистор с диодом Шоттки, включенном между его базой и коллектором

При открывании транзистора базовый ток нарастает только до значения, лежащего на границе активного режима и области насыщения, а весь избыточный базовый ток отводится через открытый диод Шоттки через коллектор и эмиттер открытого транзистора на землю.

Чем сильнее откроется транзистор, т.е. тем меньше падение напряжения коллектор–эмиттер, тем больший ток отводится через диод Шоттки, минуя базу, на землю. Это приведет к закрыванию транзистора, т.к. уменьшение тока базы закрывает транзистор. Так образуется обратная связь, саморегулирующая режим работы транзистора, удерживая его от глубокого насыщения.

Сами диоды Шоттки имеют очень малые задержки включения и выключения. Накопление заряда в диодах Шоттки не происходит, т.к. протекающий в них ток вызван переносом основных носителей.

Когда транзистор заперт потенциал коллектора выше потенциала базы, а значит, диод Шоттки смещен в обратном направлении и не влияет на работу транзистора.

Если в процессе отпирания транзистора потенциал коллектора становится ниже потенциала базы, диод Шоттки открывается и на нем устанавливается прямое напряжение Uпр. Поскольку это напряжение меньше 0,5 В, то коллекторный переход практически заперт, а следовательно, не возникает режима насыщения и связанных с ним двойной инжекции и накопления избыточных зарядов. Благодаря этому при запирании транзистора исключается задержка, вызываемая рассеиванием избыточного заряда.

На рис 7.1.2. показана разность потенциалов между выводами обычного транзистора и транзистора Шоттки, подтверждающая большее напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Шоттки в открытом состоянии.

Рис. 7.1.2. Разность потенциалов между выводами обычного транзистора и транзистора Шоттки