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=

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

F=

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

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 R_зм протікає струм І_к0. Транзит­

тор VT1 відкривається і формує низький рівень вихідної напруги U_OL тільки у тому випадку, коли на одному чи обох входах є високий рівень напруги U_ІН. При цьому вмикаючий струм І_Б1 проходить від джерела вхідних сигналів.

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

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

F=

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 U_OL тільки при співпадінні високих рівнів вхідних сигналів U_ІН на обох входах одночасно. При цьому вмикаючий струм І_Б1 протікає від джерела струму U_СС 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 U_СС 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_OН. Тривалість пе­­ 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 R_К. Вихідна напруга знімається з об’єднаних колекторів. Якщо на один із входів подається високий рівень напру­ги U_IH, то відповідний транзистор відкривається і на виході транзистора встано­влюється низький рівень напруги U_OL. На виході формується високий рівень на­пруги тільки у випадку подачі на всі входи низьких рівнів U_IL.

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 R_Б (рис. 2.9, б).

У схемі ТЛРКЗ для прискорення перехідних процесів резистори R_Б шун­товані конденсатором С_Б. 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.

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 І_Т входи транзисторів VT3 і VT4.

Особливостями елементів І²Л є:

«безрезисторність», характерна для МОН-структур, яка вперше була реалізована в схемотехніці І²Л;

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);

низький рівень напруги U_L=0,01 В знімається з колектора насиченого транзистора, а високий рівень напруги U_Н=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;

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 І_Т 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 І_Т 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 N_І=1…8 і більше.

Промисловість випускає такі серії ТТЛ і ТТЛШ:

стандартної середньої швидкодії (ТТЛ) – К133, К155, швидкодіючі – К130, К131, К599 і малопотужні – К134, К158 (1963 р.);

стандартні швидкодіючі (ТТЛ) –К530,К531 і малопотужні – К533, К555 (1970 р.);

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

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 . 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 U_ІН. 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 І_ІН, які входять в емітер, техно­логічними методами спеціально зменшують значення інверсного коефіцієнта передачі струму b_І від бази до емітера до 0,01-0,02. У цьому випадку значення струму І_ІН знаходиться з співвідношення

де - струм бази БЕТ.

На основі схеми рис 2.12., а для струму , що виходить з колектора БЕТ, справедливий вираз

.

Струм знаходиться з рівності

,

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

=(5-1,6)/3*103=1,12 мА;

І_ІН=0,02*1,12*10-3=25 мкА;

.

Таким чином, значення колекторного струму достатнє для надій­но­го насичення транзистора VT2, при цьому на виході встановлюється низький рівень напруги U_OL≤0,1 В.

Режим насичення виникає при подачі на один з входів (або на обидва), наприклад Х₁, низького рівня напруги U_ІL (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_OН» U_СС.

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

I_IL=[U_CC-(U_IL+U*)]/R.

Прийнявши, що U_IL=0,4 В, отримаємо І_ІL=1,23 мА.

Таким чином, у розглянутій схемі елемента ТТЛ практично постійний струм бази комутується або в базу транзистора VT2 (інверсний режим), або у відкритий емітер БЕТ (режим насичення).