Дискретные элементы. Элементы транзисторно-транзисторной логики. Реализация основных логических функций. Нагрузочная способность входов/выходов и способы ее увеличения.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 17Следующая ⇒

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL) — разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики).

Благодаря широкому распространению ТТЛ входные и выходные цепи электронного оборудования часто выполняются совместимыми по электрическим характеристикам с ТТЛ. Максимальное напряжение в схемах с ТТЛ может достигать 24В, однако это приводит к большому уровню паразитного сигнала. Достаточно малый уровень паразитного сигнала при сохранении достаточной эффективности достигается при напряжении 5В, поэтому данная цифра и вошла в технический регламент ТТЛ.

Схема простейшего ТТЛ-элемента, реализующего операцию И-НЕ, показана на рис. 29.1. Основная особенность схем ТТЛ заключается в том, что во входной цепи используется многоэмиттерный транзистор. Он осуществляет операцию И. Эмиттеры расположены таким образом, что прямое взаимодействие между ними исключается. Благодаря этому эмиттерные переходы можно рассматривать как параллельно включенные диоды. Число эмиттеров определяет число входов элемента. Инвертор реализован на транзисторе VT2. Таким образом, схема реализует операцию И-НЕ. Транзисторы VT1 и VT2 представляют собой однотипные и-р-и-транзисторы, поэтому их можно изготовить в едином технологическом цикле. Заметим, что многоэмиттерные транзисторы используются только в интегральных схемах.

Предположим, что входные напряжения U₁ и U₂ имеют высокий уровень, соответствующий логической единице: U₁ = U₂ = Е_к. При этом эмиттер-ные переходы транзистора VT1закрыты, а коллекторный переход открыт и VT1 находится в инверсном режиме. Ток базы многоэмиттерного транзистора

В последней формуле мы учли, что напряжение базы VT1 равно сумме напряжений коллекторного перехода транзистора VT1 и эмиттерного перехода VT2, смещенных в прямом направлении. В многоэмиттерном транзисторе применяется особая геометрия p-n-перехода, позволяющая снизить инверсный коэффициент усиления (как правилоb_R @ 0.02), поэтому входные токи схемы малы. Ток базы VT1 I_б1 замыкается через коллекторный переход и переводит VT2 в состояние насыщения. Таким образом, выходное напряжение имеет низкий уровень: и_вых » 0.2 В .

Если на одном из входов транзистора VT1 низкий уровень напряжения, соответствующий эмиттерный переход открыт и ток базы замыкается через него. Примем для определенности, что и_вх1 = 0.2 B. При этом

Коллекторный переход VT1 закрывается, и транзистор переходит в активный режим. Ток коллектора I_к1 = bI_б1 имеет большую величину. Избыточный заряд, накопленный в базе VT2, быстро рассасывается через коллекторный переход первого транзистора. Напряжение база-эмиттер второго транзистора по мере рассасывания избыточных зарядов уменьшается. Транзистор VT1 переходит в состояние насыщения, а VT2 - отсечки. Напряжение на выходе схемы имеет высокий уровень. Таким образом, таблица истинности элемента соответствует логической функции 2И-НЕ.

Недостатком простейшей схемы ТТЛ-элемента на рис. 29.1 является его неэкономичность. Когда транзистор VT2 находится в режиме насыщения, его коллекторный ток велик, что приводит к увеличению потребляемой мощности. Для уменьшения тока коллектора можно увеличить сопротивление резистора R₂. Однако это приведет к снижению уровня логической единицы и уменьшению нагрузочной способности схемы. Кроме того, увеличится время переключения схемы в состояние логической единицы.

Для повышения экономичности и быстродействия при сохранении нагрузочной способности в элементах ТТЛ используют сложные инверторы. Одна из стандартных схем ТТЛ-элемента, реализующая функцию 2И-НЕ, показана на рис. 29.2.

Во всех элементах ТТЛ при отрицательном входном напряжении резко увеличивается входной ток. Для ограничения отрицательных входных напряжений эмиттеры VT1 соединяют с корпусом через диоды, запертые для

входных сигналов положительной полярности. Диоды отпираются только при действии отрицательных импульсов, возникающих при наличии помех.

В предыдущей лекции мы установили, что скорость переключения транзистора ограничивается временем рассасывания зарядов, накопленных в базе. Заметно увеличить быстродействие удается в ТТЛ-схемах с диодами Шоттки (ТТЛШ). В таких схемах диоды Шоттки включаются параллельно коллекторным переходам. Это позволяет исключить насыщение транзисторов и существенно, уменьшить время переключения. Быстродействие элементов ТТЛШ в 3-5 раз выше, чем у аналогичных элементов ТТЛ. Недостатком ТТЛШ является меньшая помехоустойчивость из-за меньшего размаха

выходного напряжения Ц^ых - Цых. Схемы ТТЛШ работают при таких же уровнях сигналов и питающих напряжений, как и обычные ТТЛ-схемы. Мно-гоэмиттерные транзисторы на входе заменяют диодами Шоттки.

Микросхемы ТТЛ с повышенной нагрузочной способностью. Одним из важных параметров цифровых ИС является нагрузочная способность. Она характеризуется коэффициентом разветвления К_разв, равным числу микросхем той же серии, которые можно подключить к выходу рассматриваемого элемента. Для большинства микросхем ТТЛ нагрузочная способностьК_разв = 10. Некоторые ТТЛ-микросхемы выпускают с повышенной нагрузочной способностью, обеспечивая К_разв = 30.

На практике часто возникает необходимость подключения выходов нескольких логических элементов к одной нагрузке. Одним из способов объединения выходов является использование в выходных каскадах транзисторов, один из выводов которых никуда не подключен. Такой вывод называют открытым. На рис. 29.3 показана упрощенная схема ТТЛ-элемента с открытым коллектором. Свободный коллектор такой схемы является ее выходом и подключается к источнику питания через внешнее нагрузочное сопротивление. Его роль может выполнять светодиод, обмотка реле и т. п.

Открытые выводы логических элементов можно объединять. При этом обеспечивается реализация дополнительной логической функции. Логическая функция, реализуемая путем соединения выходов отдельных микросхем, называется монтажной логикой.

У некоторых цифровых интегральных схем в дополнение к состояниям логических нуля и единицы имеется третье, называемое высокоимпедансным или z-состоянием. У таких микросхем имеется дополнительный управляющий вход EZ. При EZ = 1 выходные транзисторы логического элемента заперты, их выходное сопротивление велико и микросхема оказывается отключенной от нагрузки.

При использовании логических элементов с тремя состояниями их выводы можно объединять вместе. Управление работой микросхем организуют так, чтобы они все, кроме одной, находились в высокоимпедансном состоянии. Это позволяет передать по одной шине информацию от нескольких источников.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 378; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!