Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Транзисторный инвертор На рис. 3.69 показано, что на л-р-л-транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером„можно построить инвертор логических сигналов. Когда входное напряжение имеет низкий уровень, напряжение на выходе имеет высокий уровень и наоборот. В цифровых схемах воздействие, оказываемое на биполярные транзисторы, часто приводит к тому, что они всегда либо закрыты, либо находятся в насыщении. То есть цифровые схемы типа инвертора, изображенного на рис, 3.69, разработаны так, чтобы транзисторы в них всегда находились (ну, почти всегда) в олном из состояний, изображенных на рис.
3.70. Если входное напряжение Р;, соответствует низкому уровню, то оно настолько мало, что ток / равен нулю и транзистоР закрыт; цепь между эмиттером и коллектором разомкнута. Если напряжение Ун соответствует высокому уровню, то оно настолько велико (а сопротивление И достаточно мало и коэффициент )3 достаточно велик), что транзистор попадет в состояние насыщения при любом разумном значении сопротивления Ю; цепь между коллектором и эмиттером выглядит почти как короткое замыкание.
Наличие входных напряжений, попадающих в область неопределенности между низ- 3.9. Логические схемы на биполярных транзисторах 1 89 ким и высоким уровнями, не допустимо, за исключением переходных процессов. Эта область неопределенности соответствует запасу помехоустойчивости, о кото- ром шла речь в связи с табл. 3.9.
ги н сит (с) (а) Рис, 3.69. Транзисторный инвертор: (а) условное обозначение (! М вЂ” вход, ООТ— л ход); ((о) принципиальнач схема; (с) передаточная характеристика((ОЧЧ- низ- .ий уровень, Н(ОН вЂ” высокий уровень) (с) (а) .! оси о 1 ви с о.бв 1 си =о в ~ с,=о Е б ~о +~с Е Рис. 3.70. Обычные состояния и-р-и-транзистора в цифровой схеме: (а) ус- ловное обозначение транзистора и протекающие в нем токи; (Щ эквивалентная схема ~ранзистора в состоянии отсечки (ОРР); (с) зквивалентная схематранзис- -ора в состоянии насыщения (О(Ч) Другой способ, позволяющий наглядно представить работу транзисторного инвертора, показан на рис.
3.71. Если напряжение Р; соответствует высокому Уровню, то транзисторный ключ замкнут, выход инвертора соединен с землей и выходное напряжение безусловно соответствует низкому уровню. Если входное напряжение г; соответствует низкому уровню, то транзисторный ключ разомкнут и выход инвертора через резистор подключен к шине питания о-5 В; выходное напряжение соответствует высокому уровню, если выход не слишком сильно нагружен (то есть в том случае, когда он не соединен с землей резистором с малым сопротивлением, что было бы неправильно).
3.9.5. Транзисторы Шоттки Когда напряжение на входе насыщенного транзистора изменяется, выходное напряжение не начинает изменяться немедленно; для выхода из насыщения требует- 190 Глава 3. Цифровые схемы Рис. 3.71. Эквивалентная схема транзисторного инвертора в виде ключа "оот Ключ ммвнут, когда нвлрлжоннв у соогввгогвувг высокому уровню ся дополнительное время, называемое временем удержания (лгогаде!гте). В первом семействе ТТЛ фактически время удержания составляло значительную долю задержки распространения. Время удержания можно исключить н тем самым уменьшить задержку распространения, обеспечивая условия, при которых транзисторы в нормальном режиме не попадают в область насыщения, В современных семействак ТТЛ это достигается включением диода Шаттни (Яс)гон(0 к((ок(е) между базой и коллектором каждого транзистора, который может оказаться в насыщении, как показано на рис. 3.
72. Получающиеся транзисторы, не попадающие в область насыщения, называются транзисторами с фиксируюи(ими диодами Шоттки ($с(уоп(ту с(атрек! гганлигогл) или короче транзисторами Шоттки (БсугаМсу гганл(згогз). Падение напряжения на диоде Шоттки при смещении в прямом направлении существенно меньше, чем у обычного диода, и составляет 0.25 В против 0.6 В.
У обычного транзистора напряжение между базой и коллектором в режиме насыщения равно 0.4 В, как показано на рис. 3.73(а). В транзисторе Шоттки благодаря применению диода Шоттки ток в базовой цепи разветвляется, и часть этого тока отводится в коллектор прежде, чем транзистор входит в режим насыщения, как это показано на рис. 3.73(Ь).
На рис. 3.74 представлена принципиальная схема простого инвертора с транзистором Шоттки. Рис. 3.72. ТранзисгорШот- диод Шопгм тки: (а) схема; (Щ условное обозначение коллвпор кммпвр (а) (э) 3.10. Транзисторно-транзисторная логика 191 (а) гс ьсь — — О ээв Рнс. 3.73. Работа транзистора при большом токе в цепи базы: (а) обычный транзистор в режиме насыщения; (Ь) транзистор с диодом Шоттки, предотвращающимим насыщение тес Рис.
3 74. Инвертор с транзистором Шотгкн "оот 3. 1 О. Транзисторно-транзисторная логика Наиболее часто применяемыми биполярными логическими схемами являются схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). В действительности, существует много различных семейств ТТЛ, различающихся быстродействием, потребляемой мощностью и другими характеристиками. В качестве примера в этом параграфе выбран типичный представитель ТТЛ-семейств — схемы с диодамн Шоттки н малой потребляемой мощностью серии Ь3 (семейство ЬЯ-ТТ(.). У схем ТТЛ логические уровни, в основном, те же самые, что и у ТТЛ-совместимых КМОП-схем, о которых шла речь в предыдущих параграфах.
При рассмотРении поведения ТТЛ-схем мы воспользуемся следующими определениями низкого и высокого уровней: низкий уровень((0(з)) 0-0.8вольт, высокий уровень(Н)ОН) 2.0 — 5.0 вольт. 3.10.1. Базовый ттЛ-вентиль И-НЕ На рис. 3.75 приведена принципиальная схема двухвходового ТТЛ-вентиля И-НЕ 74( 300 серии Ь3. Функция И-НЕ реализуется путем объединения диодной схемы И с инвергирующим буферным усилителем. Чтобы лучше понять работу схемы, Разделим ее на три части, как показано на рисунке: 192 Глава Э. Цифровые схемы защити входной цепи Фвмрвсщвонтоль Выходной квсквд рис.
3.75. ПринципиальнвясхемадвухвходоеогоТТЛ-вентиляИ-НЕсерии13 в днодная схема И и схема защиты входной цепи, ° фазорасщепитель, ° выходной каскад, и рассмотрим их работу порознь. Диоды Р7Х Р7УирезисторЯ! нарис. 375образуютточнотакуюжедиадную схему И (атоде ЯИР итие), что и в разделе 3 9 2. Фиксируюигие диоды (с!атр г!!от!ел) Р2Х и Р2т' при нормальной работе не оказывают никакого влияния, но ограничивают нежелательные отрицательные выбросы на входах величиной, равной падению напряжения на открытом диоде. Такие отрицательные выбросы могут появляться при изменении входного напряжения от высокого уровня до низкого в результате эффектов, возникающих в линиях передачи, которые рассматриваются в параграфе 11.4.
Транзистор Д2 и связанные с ннм резисторы образунэт фазарастценитель (р!тазе зр!!ггег), сигналы с выходов мпорого поступают на выходной каскад. В зависимо сти от того, низкий нли высокий уровень напряжения К на выходе диодиой схемы И, транзистор Д2 закрыт или открыт. Выходной каскад (сигрид згаие) содержит два транзистора д4 и д5, один нз которых в любой момент времени открыт, а другой закрыт. Выходной каскад ТП1- схемы иногда называктт деухтактным выходным каскадом !7отет-ра!е озари! илн риз!т-ри!! си!рва).
Подобно транзисторам с р-каналом и н-каналом в КМОП-схе-. мах, транзисторы Д4 и д5 осуществляют подтягивание выходного напряжения к напряжению питания или к потенциалу земли, обеспечивая на выходе сигналы высокого н низкого уровня соответственно. 3 10 Транзисторно-транзисторная логика 193 ГДЕ ЖЕ ТРАНЗИСТОР ьг 77 Обратите внимание, что в схеме на рис. 3.75 нет транзистора Д1, а другие транзисторы обозначены традиционным образом; в некоторых ТТЛ-схемах реально присутствует транзистор, обозначаемый Д!.
В этих схемах для реализации логики вместо диодов !7!Хи 01Уприменяется многоэмиперный транзистор Д!. В этом транзисторе на кахсгы6 логический вход приходится один эмнттер, как показано на рисунке справа, Достаточно хотя бы на одном из эмиттеров иметь низкий уровень, чтобы транзистор был открыт, и в этом случае напряжение У„будет соответствовать низкому уровню. Функционирование ТТЛ-вентиля И-НЕ отражено на рис. 3. 76(а).
Вентиль действительно реализует функцию И-НЕ. На рис. 3.76(Ь) и (с) приведены таблица истинности и условное обозначение этой схемы. Путем простого изменения числа диодов в диодной схеме И, можно создать ТТЛ-вентиль И-НЕ с любым желаемым числом входов. Имеющиеся в продаже ТТЛ-вентили И-НЕ имеют до 13 входов. ТТЛ-ннвертор, представляет собой 1-входовой элемент И-НЕ, у которого отсутствуютуказанные парис. 3.75 диоды ШУи1)Л'. Х У К,т )22 ДЗ (74 (25 17б 1'я 2 Е Е я1.06 с6 оп оп с6 о6 2.7 Н Е Н я1.06 сй оп оп о6 ой 2.7 Н Н Е я1 00 о6 оп оп 06 06 2.7 Н Н Н 1.2 оп сй о6 оп оп я0.30 1. (б) Х У 2 (с) 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Рис. 3.
76. Функционирование ТТЛ-вентнля И-НЕ с двумя входам н; (а) таблица, описывающая работу схемы [Š— низкий уровень ((.Оуу), Н вЂ” высокий уровень (Н[ОН); оп -открыт, оп- закрыт); (О) таблица истинности; (с) условное обозначение Поскольку обычно выходные транзисторы Д4 и Д5 находятся в противоположных состояниях и один из них открыт (ОН), а другой закрыт (ОЕЕ), у вас может возникнуть вопрос о роли резистора Я5 с сопротивлением 120 Ом в выходном каскаде. Ведь отсутствие этого резистора позволило бы схеме отдавать больший ток при высоком уровне на выходе.
Это, конечно, верно с точки зрения постоянно- 13 зм.мзт. 194 Глава 3. Цифровые схемы го тока. Однако при изменении сигнала на выходе ТТЛ-схемы от высокого уровня до низкого или наоборот имеется короткий интервал времени„иэгда оба транзистора могут быть открыты. Резистор В5 служит для ограничения тока, протекаощего в это время от шины питания К к земле. Когда происходит переключение выходного каскала ТТЛ-схемы, то даже при наличии резистора с сопротивлением 120 Ом наблюдаются так называемые броски тока, в пределах которых величина тока превышает нормальные значения. Это явление подобно броскам тока, появляющимся при переключении быстродействующих КМОП-схем.
До сих пор мы считали, что сигналы посзупиот на вход ТТЛ-вентиля от идеального источника напряжения. На рис. 3.77 показана ситуация, когда на вход ТТЛ- схемы поступает сигнал низкого уровня с выхода другой ТТЛ-схемы. Транзистор Д5А в левой схеме, являкнцейся источником сигнала, открыт (ОЫ), и по нему течет ток, вытекающий через диод Р1ХВ из правой схемы, на вход которой подан данный сигнал, Если ток течет в выходную цепь ТТЛ-схемы при низком уровне сигнала на выходе, как это имеет место в нашем случае, то говорят, что я5ок вл5екаев5 (51пя5иК сиггещ) в эту схему со стороны ее выхода. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
