Транзисторно-транзисторні логічні елементи

Елементи ДТЛ

Х1 Х2 F

У цих елементах операції диз’юнкції і кон’юнкції реалізуються за допо­могою діодних схем, а операції заперечення виконує інвертор на основі транзи­сторного ключа. Логіка роботи двоходового елемента НЕ ЧИ подана в табл. 2.4. на основі якої отримуємо вираз для булевої функції

F= Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru

Використовуючи принцип суперпозиції, функцію F можна записати для довільного числа змінних:

F= Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru

Схема ДТЛ-елемента, що реалізує булеву операцію НЕ ЧИ для двох змін­них, і його умовне графічне зображення показано на рис. 2.5.

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru
Схему ДТЛ-елемента НЕ ЧИ будують підключенням виходу діодного елемента ЧИ до входу інвертора. Діоди зміщення VD3 і VD4 відіграють роль, як і у схемі, рис. 2.4. а. Через резистор зміщення Rзм протікає струм Ік0. Транзит­

тор VT1 відкривається і формує низький рівень вихідної напруги UOL тільки у тому випадку, коли на одному чи обох входах є високий рівень напруги UІН. При цьому вмикаючий струм ІБ1 проходить від джерела вхідних сигналів.

Часові діаграми роботи (ідеалізовані) елемента НЕ ЧИ показані на рис. 2.6. Тривалість перехідних процесів практично визначається швидкодією тран­зистора.

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru
Логіка роботи двоходового елемента НЕ І зображена в табл. 2.5, на ос­нові якої отримуємо вираз для булевої функції F= Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru . На основі принципу суперпозиції функцію F можна записати для довільного числа змінних:

F= Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru

 
  Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru

Схема ДТЛ-елемента, що реалізує булеву операцію НЕ І для двох змін­них Х1 і Х2 та його графічне позначення показані на рис. 2.7.

X1 X2 F

Схему ДТЛ-елемента НЕ І створюють підключенням діодного елемента І до входу інвертора. Діоди зміщення VD3 і VD4 відіграють роль, як і у схемі, зображеній на рис 2.4.

Транзистор VT1 відкривається і формує низький рівень вихідної напруги UOL тільки при співпадінні високих рівнів вхідних сигналів UІН на обох входах одночасно. При цьому вмикаючий струм ІБ1 протікає від джерела струму UСС по колу: резистор R, діоди VD3 і VD4 і база транзистора VT1. При подачі хоча б на один з входів (або на обидва) сигналу низького рівня весь струм від джерела живлення UСС проходить по колу: резистор R, VD3 або VD4 (або обидва) на від­повідне джерело вхідних сигналів. В результаті цього транзистор VT1 закри­вається і на виході встановлюється високий рівень напруги U. Тривалість пе­­ Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru ремикання елемента практи­чно визначається швидкодією транзистора. Часові діаграми роботи елемента НЕ І показа­но на рис. 2.8.

Транзисторна логіка

Елементи ТЛ будують паралельним підключенням колекторів транзис­торів до спільного колектора навантаження RК. Вихідна напруга знімається з об’єднаних колекторів. Якщо на один із входів подається високий рівень напру­ги UIH, то відповідний транзистор відкривається і на виході транзистора встано­влюється низький рівень напруги UOL. На виході формується високий рівень на­пруги тільки у випадку подачі на всі входи низьких рівнів UIL.

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru

Логіка роботи елементів ТЛ задана в таблиці 2.4. В елементах ТЛБЗ вхі­дні сигнали подають безпосередньо на бази транзисторів VT1 і VT2 (рис. 2.9,а). У схемі ТЛРЗ у коло бази транзистора ввімкнено резистори RБ (рис. 2.9, б).

У схемі ТЛРКЗ для прискорення перехідних процесів резистори RБ шун­товані конденсатором СБ. Їхня роль описана при розгляді схеми інвертора (рис. 2.4). Часові діаграми роботи елементів ТЛ збігаються з процесами, зображени­ми на рис. 2.6.

Інтегральна інжекційна логіка

Різновидом транзисторних схем є елементи інтегральної інжекційної ло­гіки (ІІЛ або І2Л). Схемотехніку І2Л використовують для побудови мікропро­це­сорних і запам’ятовуючих ВІС (серії К582, К583, К584 та ін.).

Схема логічного елемента І2Л зображена на рис. 2.10.

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru

Схема вміщує інжекційні p-n-p транзистори VT1 і VT2,ввімкнені за схе­мою зі спільною базою, і вхідні багатоколекторні n-p-n транзистори VT3 і VT4, увімкнені за схемою зі спільним емітером. Емітери транзисторів VT1 і VT2 на­зи­ваються інжекторами, а протікаючий через них дірковий струм – інжекцій­ним. Кожен з транзисторів VT1 і VT2 утворює разом із джерелом живлення і зовнішнім резистором R джерело струму, яке живить індивідуальним струмом ІТ входи транзисторів VT3 і VT4.

Особливостями елементів І2Л є:

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru «безрезисторність», характерна для МОН-структур, яка вперше була реалізована в схемотехніці І2Л;

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru з’єднання областей бази і колектора інжекційних p-n-p транзисторів відповідно з областями емітера і колектора вхідних n-p-n транзисторів, а також мале число схемних компонентів і з’єднань між ними (число операцій маску­вання і дифузії в два рази менше в порівнянні з елементами ТТЛ);

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru низький рівень напруги UL=0,01 В знімається з колектора насиченого транзистора, а високий рівень напруги UН=0,8 В – з колектора закритого тран­зистора, причому цей рівень обмежується напругою на базі насиченого транзи­стора навантаження; використовується режим мікро струмів, в якому струми колектора змінюються від десятків до сотень мікроампер; працездатність еле­ментів зберігається при зміні значення струму в них на декілька порядків;

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru на колекторах вхідного транзистора реалізується інверсія змінної, а на сполучених колекторах транзисторів VT3 і VT4 виконується операція НЕ ЧИ.

Вхідні транзистори керуються перемиканням струму на їхніх входах. Як­що до входу Х1 підключений колектор лівого насиченого транзистора, то струм ІТ замикається на ньому і не надходить у базу транзистора VT3, який закривається і створює на своїх колекторах режим розімкнутих контактів. Якщо до входу Х1 підключений колектор лівого закритого транзистора, то струм ІТ входить на базу VT3, насичує цього і забезпечує на колекторах режим замкну­тих контактів.

Затримка поширення сигналу в елементі І2Л при струмі 100мкА прибли­з­но становить 5-10 нс, потужність споживання – до 20 мкВт, робота перемика­н­ня приблизно становить 0,1 пДж (наприклад у ТТЛ серії КР1533 робота пере­микання складає :пДж). Зазначені властивості елементів І2Л і ВІС на їх основі надають їм технологічності, компактності, вони мають невисоку вартість при високій швидкодії.

Транзисторно-транзисторні логічні елементи

2.2.1. Загальна характеристика транзисторно-транзисторних логічних елементів

Елементи ТТЛ з’явилися в результаті розвитку схем ДТЛ у напрямку ско­рочення числа компонентів, зменшення ємності переходів і врахування спе­цифіки інтегральної технології. На початку важливою особливістю елементів ТТЛ було використання на вході багатоемітерного транзистора (БЕТ) для реа­лізації операції І. Кожен емітер БЕТ використовується як логічний вхід. Число емітерів визначає коефіцієнт об’єднання за входом NІ=1…8 і більше.

Промисловість випускає такі серії ТТЛ і ТТЛШ:

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru стандартної середньої швидкодії (ТТЛ) – К133, К155, швидкодіючі – К130, К131, К599 і малопотужні – К134, К158 (1963 р.);

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru стандартні швидкодіючі (ТТЛ) –К530,К531 і малопотужні – К533, К555 (1970 р.);

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru над швидкодіючі (ТТЛ) –КР1530 (тип АS), високої швидкодії – КР1531 (тип FAST) і малопотужні – КР1533 (тип ALS) (1980 р.). У цих серіях застосована ізопланарна технологія на основі іонної імплантації, прецизійної фотолітографії, яка забезпечує малі площі і ємності переходів.

2.2.2. Транзисторно-транзисторний логічний елемент з простим інвертором

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru
Схема найпростішого ТТЛ містить БЕТ, колектор якого підключено до бази інвертую чого транзистора VT2 рис. 2.11, а).

Багатоемітерний транзистор виконує операцію І, транзистор VT2 – опе­ра­цію НЕ. Тому елемент в цілому реалізує функцію Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru . У першому на­ближенні БЕТ з топологією, показано на рис. 2.11, б, розглядаються як сукуп­ність із n (за кількістю емітерів) окремих транзисторів із спільними базою і ко­лектором. Для виключення взаємного впливу емітерні переходи розташовую­ться один від одного на відстані 10…15 мкм, що перевищує дифузійну довжину пробігу носіїв у базовому прошарку.

У схемі ТТЛ елемента БЕТ працює в двох основних режимах – інверс­ному і насичення. Процеси, що відбуваються в інверсному режимі, відобража­ють еквівалентною схемою (рис. 2. 12. а).

Інверсний режим виникає після подачі на входи високих рівнів напруги UІН. В результаті емітери Е1 і Е2 закриваються, колекторний перехід знаходи­ться під прямою напругою U*=0,8 В і він інжектує електрони в спільну базу.

З метою зменшення зворотних струмів ІІН, які входять в емітер, техно­логічними методами спеціально зменшують значення інверсного коефіцієнта передачі струму bІ від бази до емітера до 0,01-0,02. У цьому випадку значення струму ІІН знаходиться з співвідношення

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru

де Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru - струм бази БЕТ.

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru

На основі схеми рис 2.12., а для струму Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru , що виходить з колектора БЕТ, справедливий вираз

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru .

Струм Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru знаходиться з рівності

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru ,

де 2U*=1,6 В – сумарне падіння напруги на двох послідовно ввімкнених кремні­євих переходах – колектора БЕТ і бази VT2. Для типових значень UСС=5 В, R=3 кОм, отримаємо:

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru =(5-1,6)/3*103=1,12 мА;

ІІН=0,02*1,12*10-3=25 мкА;

Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru .

Таким чином, значення колекторного струму Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru достатнє для надій­но­го насичення транзистора VT2, при цьому на виході встановлюється низький рівень напруги UOL≤0,1 В.

Режим насичення виникає при подачі на один з входів (або на обидва), наприклад Х1, низького рівня напруги UІL (рис. 2. 12, б). При цьому емітер Е1 відкривається, оскільки на ньому падіння напруги U*=0,8 В, й інжектує елект­ро­ни в базу БЕТ.

Колекторний перехід БЕТ також знаходиться під прямим зміщенням. Проте він не може приймати електрони, це рівнозначно появі струму, який вхо­дить в колектор, чого не дозволяє база транзистора VT2. Вважають, що у колі колектора БЕТ ввімкнено нескінченно великий опір навантаження, тому в обла­сті колектора БЕТ накопичується об’ємний заряд електронів, що характерно для режиму насичення. Транзистор VT2 – закритий і на його колекторі встанов­лю­ється високий рівень напруги U» UСС.

Значення витікаючого (від’ємного) з відкритого емітера Е1 струму ІІL зна­ходиться з рівності

IIL=[UCC-(UIL+U*)]/R.

Прийнявши, що UIL=0,4 В, отримаємо ІІL=1,23 мА.

Таким чином, у розглянутій схемі елемента ТТЛ практично постійний струм бази Транзисторно-транзисторні логічні елементи - student2.ru комутується або в базу транзистора VT2 (інверсний режим), або у відкритий емітер БЕТ (режим насичення).

Наши рекомендации