Популярные цифровые микросхемы (944146), страница 4
Текст из файла (страница 4)
1.3, а). В схеме на рис, 1.4, б к ныходу ннвертора РР! подключен элементпагрузка ТТЛ РР2, на вход которого будет поступать (от эмиттера ЧТ4) незначительный входной ток высокого уровня, т. е. ток утечки входа 1„'„(( 1г„„. Поладим на вход логического элемента РР1 напряжение высокого уровня. Для этого в схеме на рнс. 1.4,а переведем движок переключателя 51 в положение В. Транзистор-фазорасшепитель ЧТ2 получит теперь базовый ток 1ь от коллектора ЧТ1 и поэтому откроется. Часть его эмиттсрного тока 1 поступит в базу оконечного транзистора ЧТ5. Этот транзистор перейдет в состояние насыщения, т, е. замкнется.
Выходной вывод логического элемента РР! окажется подключенным к земле. Виутренес сопротивление промежутка коллектр — эмнттер г„для насыщенного транзистора ЧТ5 реально составляет 30...50 Ом, а выходное напряжение насыщения для кремниевого транзистора ()кчаас ы0,3 В. Это выходное напряжение низкого уровня для элемента ТТЛ Бэмх, о Паразитная емкость Са,» разряжается до низкого логического уровня через низкоомный насыщенный транзистор ЧТ5, Длительность процесса разряда определяет время отрицательного перепада выходного импульса !' '=2,2 г«аС аэ.
Транзистор ЧТ5 проектвруется так, чтобы ои мог надежно пропускать большее статические стекающие выходные токи низкого уровня ! „„. Чем больше допустимое значение этого тока, тем выше нагрузочо ная способность элемента ТТЛ. Нагрузочную способность принято оценивать числом входов элементов.иагрузок, каждый нз которых должен надежно переключиться. Учтем, что значение активного стекающего входного тока низкого уровня 1 „ для элемента ТТЛ велико, На рнс. о 1.4, а к выходу 7 присоединены три входа элементов-нагрузок РР2— РР4; если это элементы серии К!55, то 1о„=31о„З 1,6=4,8 мА. 13 В схеме ннвертора ТТЛ иа рис.
14,а присутствуют два вспомогательных элемента: диод ЧР1, защищающий вход от пробои, и резистор )т4, ограничивающий в выходном каскаде так называемый сквозной ток короткого замыкания транзисторов НТ4 и НТ5. Интересно, что в самых первых элементах ТТЛ диоды защиты входов отсутствовали. Однако реально оказалось, что длинные проводники печатных плат большого формата накапливают большие паразитные заряды. Эта энер. гия ггает па входе элемента отрицательные импульсы напряжения (прн большой силе тока). Диод НР1 погдощает паразитную энергию и тем самым защищает эмнттер транзистора ЧТ1 от пробоя.
Как была показано ранее, транзисторы НТ4 н ЧТ5 отдагот и принимают выходной ток поочередно. Однако во время формирования выходньш перепадов есть момент, когда оба транзистора выходного каскада ТТЛ одновременно открыты (можно сказать, полуоткрыты), посколы<у один из транзисторов не успел полностью закрыться, а другой — открыться. По-другому, ЧТ4 и НТ5 находятся оба в ланейном режиме. Если считать, что суммарное сопротивление между нх коллекторами и эмиттерамн в этот момент составит !00...200 Ом, то без ограничивающего резистора К4 импульс тока короткого замыкания от источника питания ()аж=5 В достигнет 25,.50 мА. Если импульсные перепады будут следовать часто, выходные транзисторы быстро перегреются.
Резистор К4 принимает на себя значительную часть этой мощности н защищает выходные транзисторы от перегрева. Импульсы тока короткого замыкания, наводящие большие помехи в шинах ритання, — один из самых существенных недостатков схемотехники ТТЛ, Для уменьшения их влияния в цепях питания на печатной плате следует устанавливать керамвческне конденсаторы развязки с номиналами 0,1 мкф и более. Прежде чеы изучить варианты элементов ТТЛ, рассмотрим, как определяются некоторые импульсные параметры. На рнс.
1.5,а показаны входной и выходной импульсы инвертора, а иа рис. 1.5, б дано их взаимное расположение по времени, причем показано, что выходной импульс (),ы, существенно задержан относительно входного (Ло На графиках отмечено пять временных отрезкор: длительности положительного Р ' и отрицательного 1'' выходных перепадов, два времени задерж- г а) с,г 11д ш/г ;с с,г Рнс. 15. К определению импульсных параметров ТТЛ: и — фазы снгналов ннвертора; б — определенпе среднего времене задержан рас- пространенна снгнала; в — то же дла аадержен логнческвх перепадов 14 ки распространения (при включении 1,' и при выключении 1,д „), а цо 1 также так называемое среднее время задержки распространенна выходного сигнала 1,др„е Для элементов ТТЛ первоначальной разработки интервалы времени 1,' и 1, были значительны из-за глубокого г,о од насыщения, в которое попадают йри переключении импульсные транзисторы.
На рис. 1.5, в показано, что этн параметры отсчитываются ог средних уровней импульсов 11гю Напряжение Ц,и для элементов ТТЛ без переходов Шотки равно 1,3 В, с переходами Шатки — 1,5 В. Более общий параметр — среднее время задержка распространения выходного сигнала 1,мр „— это полусумма 1зд р и 1,д э На рис. 1.о, б— г это интервал между серединами ампульсов. Параметр 1,» рзр позволяет сравнивать быстродействие любых известных логик. Время задержки распространения при включении 1зд и соответствуцо ет времени заряда'емкости входной цепи логического элемента. Пока входная емкость не зарядится и не будет превышен порог открывания тРанзистоРа 13 Ъ0,7 В, ов не откРоетса.
Аналогично вРемЯ 1,„' э оп о,г ределяется скоростью разряда входной емкаств: входной сигнал уже окончился, но выходной еще не нарастает, поскольку необходимо время для стекания избыточного заряда во входной цепи. Свести к нулю интервалы 1„' р и 1 д р можно, если не подавать транзисторам избыточна ог ный базовый ток насыщения.
Стимулом развития схемотехники и технологии изготовления мик. расхем ТТЛ за послелнее двадцатилетие было прежде всего стремление сократить эти интервалы времени. Если онн будут малы, выходной импульс Пьмм показанный на рис. 1.5,б, запоздает мало и среднее время задержки распространения сигнала принципиально сократится. Времена нарастания н спада перепадов выходного импульса (е ' и (з ' определяются в конечном счете силой выходного коллекторного тока и паразитиыми выходными емкостями транзисторов. Паразнтиые емкости спи. жают, переходя к уменьшенным физическим объемам коллекторных областей интегральных транзисторов (отметьте.' плотность коллекторного тока при этом пропорционально возрастает1).
Силу коллекторных н базовых токов ограничивают резисторами. Для высокоскоростных элементов номиналы резисторов приходится уменьшать, из-за чего потребляе. мая микросхемой мощность увеличивается. 1.3. ТРАДИЦИОННЪ|Е СЕРИИ ТТЛ На рис. 1.6 показаны схемы трех первоначальных элементов ТТЛ. Назовем их традиционными. Эти серии активно развивались до 1970 г.
(см. рис. 1.2). Если отвлечься от номиналов резисторов, можно обиаружитгь что в схеме, показанной на рис, 1.6,а, присутствует составной транзистор — эмиттериый повторитель ЧТЗ, ЧТ4. В схемах ва рис. 1.6,б, в повторитель не составной (только транзистор ЧТЗ), однако в схемы добавлен диод сдвига уровня 11О4. В остальном схемы одинаковы. На рис. !.6,а показан мощный ключ ТТЛ, на котором основаны микросхемы, составляющие серию К!31. Ее зарубежным аналогом является серия 74Н (Н вЂ” Ь(яЬ вЂ” символ высокого быстродействия серии и наибольшей потребляемой мощности).
Поскольку резисторы здесь от. иоснтельно иизкоомные, элемент серии К131 имеет ток потребления 1иы 15 примерно 4...5 мА! е~о среднее время задержки распространения 1,„, „=6 ис. Как будет показано далее, энергия переключения для него Эпаг= Раем!за,э, р=1 '()» а'1ьжр, в= 120...150 пДж (см. рис. !.2 прямоугольник МТТЛ) в настоящее время считается чрезмерно большой. Поэтому обе серии больше не развиваются. Чтобы получать импульс вы.
ходного тока, обеспечивающий наибольшую скорость зарядки выходной емкости, в схеме на рис. 1.6, и выходной эмпттерный повторитель выполнен по схеме Дарлингтона, т. е. составного транзистора. На рис. 1.6, б показана схема самого распространенного логического элемента — основы серии К!55 и ее зарубежного аналога — серии Рнс. 1.6. Принципиальные схемы первичных логических элементов ТТЛ: а — МТТЛ; б — СТТЛ; а — МаТТЛ (см.
Вас. !.3! 74. Этн серии принято называть стандартнымн (СТТЛ). Логический элемент серии К!55 имеет среднее быстродействие 1,жр,,т= 13 нс и среднее значение тока потребления 1„„= 1,5...2 мА. Таким образом, Тнергия, затрачиваемая этим элементом иа перенос одного бита информации, примерно !00 пДж (см. рнс. 1.2,6; прямоугольник СТТЛ). Для обеспечения выходного напряжения высокого уровня ()зых ъ ~2,5 В (нак н в схеме на рис. 1.6, а) в схему на рис.
1.6, б потребона. лось добавить диод сдвига уровня ьгП4, падение напряжения на котором равно 0,7 В. Таким способом была реализована совместимость различных серий ТТЛ по логическим уровням. Микросхемы на основе иивертора, показанного иа рнс, 1.6,6 (серая К155), имеют очень большую номенклатуру, широко ныпускаются, а серия продолжает развиваться. На рпс. 1.6, в показан третий вариант ТТЛ первоначальной разработки — маломощный логический элемент (ММТТЛ). Он лежит в основе отечественной серии К134 и зарубежной с названием 741. (здесь 16 С вЂ” 1ояг — означает малое быстродействие и одновременно малое потребление тока питания). Этот элемент потребляет мощность питания примерно 1 мВт при среднем времени задержки распространения 1,жв,э=33 нс, что соответствует энергии, потребляемой на перенос еди'ницы информации Э „=33 пДж (см.
прямоугольник МмТТЛ на рис. 1.2). Номиналы резисторов в этом логическом элементе отпосвтельно велики. Сейчас эти серии не развиваются. В конце 70-х годов микросхемы ТТЛ первоначальной разработки стали актнвно заменяться на микросхемы ТТЛШ, имеющее во внутренней структуре р-л переходы с барьером Шотки. Напомним, что эффект Шатки снижает пороговое напряжение открываняя кремниевого диода от обычных 0,7 В до 0,2...0,3 В и значительно уменьшает время жизни иеосновных носителей в полупроводнике.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
