Лабораторная работа №7.

Исследование основного элемента транзисторно-транзисторной логики.

Цель работы: ознакомление с логикой работы; изучение принципа действия; освоение методики определения статистических характеристик; сборка простейших схем.

Приборы и оборудование:

1. Лабораторный стенд.

2. Источник питания напряжением 5B.

3. Два вольтметра с пределом измерения 7,5B.

4. Миллиамперметр.

5. Соединительные провода.

Теоретическая часть:

Функциональные узлы радиоэлектронной аппаратуры, изготовленные методом интегральной технологии, были названы интегральными микросхемами (ИС). Приставка «микро» подчеркивает характерную особенность интегральной технологии – высокий уровень миниатюризации, достигаемый в ее изделиях. ИС – миниатюрный электронный блок, содержащий в своем корпусе транзисторы, диоды, резисторы, и другие активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких десятков и даже сотен тысяч.

Цифровые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, например двоичной, функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, а также цифровых узлов измерительных приборов, аппаратуры автоматического управления, связи и так далее.

По функциональному назначению цифровые микросхемы подразделяются на подгруппы логических микросхем, триггеров, элементов арифметических и дискретных устройств и другие.

Цифровые микросхемы выпускаются сериями. В состав каждой серии входят микросхемы, имеющие единое конструктивно – технологическое исполнение, но относящиеся к различным подгруппам и видам. Разработка каждой серии цифровых микросхем начинается с базового логического элемента. Так называют элемент, который лежит в основе всех ИС серии. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ. По принципу построения базовых логических элементов ИС подразделяются на следующие типы: резистивно – транзисторной логики (РТЛ); диодно – транзисторной логики (ДТЛ); транзисторно – транзисторной логики (ТТЛ) и транзисторно – транзисторной логики с диодами Шоттки (ТТЛШ); транзисторной логики с эмиттерными связями (ЭСТЛ); транзисторной логики с непосредственными связями (НСТЛ).

ТТЛ появилась как результат развития интегральных элементов ДТЛ благодаря замене матрицы диодов многоэмиттерным транзистором (МЭТ) (рис. 1). МЭТ имеет несколько эмиттеров, расположенных таким образом, что прямое взаимодействие между ними практически исключается и представляет собой совокупность нескольких транзисторных структур с общим коллектором и базой, непосредственно взаимодействующих друг с другом только за счет движения основных носителей.

В настоящее время промышленностью выпускаются несколько разновидностей серий элементов ТТЛ – типа (стандартные 133, 155; с высоким быстродействием 130, К531; микромощные 134; с диодами Шоттки 530, К531; микромощные с диодами Шоттки К555). Элементы ТТЛ относятся к потенциальным элементам: при построении ЭВМ на их основе они соединяются между собой потенциальными связями, то есть без конденсаторов и трансформаторов, Значения “1” и “0” представляются в виде напряжений. Для указанных серий значение “1” представляется в виде напряжения , а значение “0”- в виде напряжения .

Эти серии обеспечивают выполнение любых арифметических и логических операций, а также хранение, вспомогательные и специальные функции.

Основным логическим элементом ТТЛ является элемент Шеффера, реализующий операцию логического умножения с отрицанием, то есть И-НЕ. Как элемент ЭВМ он представляет собой такую схему, сигнал “1” на выходе которой имеет место всегда, кроме случая , когда сигналы “1” на всех входах совпадают.

Минимальное число входов элементов Шеффера равно двум. Логическое уравнение работы элемента записывается в виде .

+5B

На рис. 2 приведена временная диаграмма работы элемента на два входа (здесь - нижний и верхний уровни напряжений, соответствующие состояниям “0” и “1”).

На рис. 1 показана принципиальная электрическая схема элемента Шеффера микросхемы К155ЛАЗ.

Схема состоит из двух частей: входной, реализующей функцию И и выходной , реализующий функцию Не (сложный инвертор на основе транзисторов VT2- VT4). Элемент ТТЛ работает следующим образом. Когда на все входы многоэмиттерного транзистора VT1 поданы сигналы “1” все эмиттерные переходы входного транзистора VT1 закрыты, в ток от источника через резистор открытый коллекторный переход транзистора VT1 поступает на базу транзистора VT2 и открывает его до насыщения. При этом открывается до насыщения и транзистор VT4, обеспечивая низкий уровень выходного напряжения . Транзистор VT3 в это время закрыт, поскольку напряжение на коллекторе открытого транзистора VT2 мало. Диод VD3 обеспечивает надежное запирание транзистора VT3 при включенном элементе, то есть когда на выходе напряжение .

При наличии хотя бы на одном выходе сигнала “0” открывается соответст-вующий переход база- эмиттер входного транзистора VT1 , и ток от источника сигнала через резистор проходит в цепи эмиттера. При этом ток коллектора VT1 уменьшается, транзисторы VT2 и VT4 закрываются, а транзистор VT3 и диод VD3 открываются . На выходе обеспечивается уровень “1”. Таким образом, рассмотренный элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ. Для ограничения тока через открытый транзистор VT3 при коротком замыкании выхода элемента включен резистор .

Диоды VD1 и VD2 защищают транзистор VT1 от случайного попадания на эмиттеры напряжения отрицательной полярности. Резисторы и - нагрузка транзистора VT2 ( -коллекторная, - эмиттерная).

Благодаря применению сложного инвертора элемент имеет малое выходное сопротивление как в состоянии «0» , так и в состоянии «1». Это позволяет увеличить ток, отдаваемый в нагрузку, т.е. повысить нагрузочную способность, а также ускорить процессы заряда и разряда емкости нагрузки, что обеспечивает высокие скорости переключения.