Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 74
Текст из файла (страница 74)
В основе ИЛЭ этого типа лежит параллельное соединение обычных транзисторных ключей и использование общей коллекторной нагрузки. Элемент РТЛ показан на рис. 10.2 сплошными линиями. Штриховыми линиями показаны транзисторы, входящие в состав других аналогичных логических элементов. Предыдущие ИЛЭ, представленные транзисторами ТЗ и Т4, управляют ключами Т1 и Т2, а транзистор Т5 представляет последующие логические элементы, являющиеся нагрузкой для данного. чЕ„ ! ! ††-г — —— ! ! ! ! — ---) ч 74 ! \ Тз ~тз ! ! ! ! ! 1 +гсвг Рмс. 10.2.
Логический влсмсвт РТЛ йк 16 Як' (10. 7а) Нетрудно убедиться, что в положительной логике схема выполняет функцию ИЛИ-НЕ. Действительно, если на оба входа А и В подан низкий уровень У =О„то оба транзистора заперты, ток течет через резистор В„в базу Т5 и на выходе ИЛЭ получается напряжение 10.2. Логические зламапты иа биполяримх гран»и«торах Если же на одном из входов ИЛЭ действует высокий уровень «)~ = (), то соответствующий транзистор открыт, а при достаточно большом токе базы — насыщен.
Тогда на выходе ИЛЭ получаем низкий уровень, равный остаточному напряжению: ()о () (10. 7б) Такой же уровень получается при отпирании обоих транзисторов. Таким образом, удовлетворяется формула (10.4). В отрицательной логике (() = (); () = () „) схема выполняет функо цню И вЂ” НЕ: высокий уровень на выходе (() ) получается только прн Ъ" условии, что оба транзистора заперты, т.е. на оба входа поступили низкие уровни (() ).
Изменение характера выполняемой функции при замене положительной логики на отрицательнуе (и наоборот ) явля ется общим свойством ИЛЭ, и мы не будем в дальнейшем иллюстрировать его для каждой схемы. Учитывая приведенные выше значения логических уровней, можно записать логический перепад для схемы РТЛ в виде: (10.8) «)л Ек «бВв «)о«т Следует отметить, что логическая функция в РТЛ-элементе выполняется «по выходу», т.е. сначала осуществляется инверсия входных сигналов на обычных транзисторных ключах, затем на нагрузочном резисторе В„реализуется логическая функция И. В такой интерпретации логическая функция данного элемента С =А В. Данная запись эквивалентна функции С = А + В, которая обычно и используется для описания логической функции РТЛ-элемента. Схемы РТЛ использовались на первом этапе развития микроэлектроники.
Однако в полупроводниковых ИС с высокой степенью интеграции они оказались неперспективными в связи с большим количеством резисторов, занимающих большую площадь, и низким быстродействием. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ). Схемы элементов ТТЛ показаны на рис. 10.3.
В них логическая функция осуществляется многоэмиттерным транзистором То (рис. 10.3, а) или транзисторами То, и Тоз (рис. 10.3, б), а транзистор Т1 выполняет функцию инверсии. В современных интегральных схемах используют оба варианта входных каскадов (рис. 10.3, а и б). ТТЛ-элемент с раздель- 416 Глава 10. Интегральные схемы б) а) рис. 10.3.
Логические элементы тТЛ: а — использующий входной миогозмит- терный транзистор; б — использующий раздельные входные транзисторы ными входными транзисторами, хотя и занимает большую площадь, но позволяет исключить ряд нежелательных эффектов, свойственных многоэмнттерным транзисторам, а также обеспечивает большую гибкость при проектировании топологии элемента. Для описания работы ТТЛ-элемента воспользуемся схемой с раздельными входными транзисторами (рис. 10.3, б). Работа элемента с входным многоэмиттерным транзистором может быть описана в терминах, учитывающих, что многоэмиттерная транзисторная структура получена в результате объединения баз и коллекторов нескольких однотипных транзисторов.
Пусть в исходном состоянии напряжения на логических входах равны нулю: С 4 = Ув = Уе = О. Тогда эмиттеры транзисторов Тш и Тоз находятся под нулевым напряжением, их эмиттерные переходы смещены прямо и ток 1з = (ń— У')Ве поровну распределяется между базами транзисторов. Входные транзисторы и резистор Яо работают в состоянии Уе = Ув = О как обычный транзисторный ключ с «оторванным» коллектором (В„= оз). Выходное напряжение ключа определяется из (8.2) при условии 1 „= О: Укз 9т1 1~ В Это напряжение не превышает (2 — 3) рт, и учитывая, что оно приложено к эмиттерному переходу выходного транзистора, транзистор Т1 надежно заперт. 10.2.
Логические злеиеитм иа Зиполиримх трзизисторах Когда транзистор Т1 заперт, выходное напряжение имеет максимальную величину, равную напряжению питания. Очевидно, что это есть уровень логической единицы, т. е. Ек. Пусть теперь на вход А подано напряжение У'. Поскольку напряжение на втором входе осталось равным нулю, транзистор Тс по-прежнему открыт, а значит, напряжение на базе транзистора Т1 по-прежнему близко к нулю. Транзистор Те оказался включенным в инверсном активном режиме ( к эмиттеру приложено напряжение У~, близкое к Ек, коллектор под потенциалом, близким к нулю, а база под потенциалом прямо- смещенного эмиттерного перехода У* транзистора Тщ).
Можно показать, что такое включение Тш приводит к небольшому ~на (1-2)угу возрастанию напряжения на базе Т1. Никаких других изменений в схеме не происходит и на выходе по-прежнему имеем уровень Е„. То же самое будет, если подать напряжение У~ на вход В. Если же подать напряжение Уз на оба логических входа, то оба транзистора Те1 и Тоз оказываются в инверсном активном режиме и ток 1с, усиленный в ~Вг +1) раз, втекает в базу транзистора Т1.
При этом транзистор отпирается, потенциал базы делается равным У*, а потенциал коллектора (при условии насыщения) равным У, . Это значение есть уровень логического нуля, т.е. Уо-У„,=01В. Таким образом, уровень выходного напряжения меняется с У' до Ус только при поступлении уровня У' на все входы. Значит, схема ТТЛ в положительной логике выполняет функцию И вЂ” НЕ. Это еще одна важная особенность данной схемы по сравнению с ранее рассмотренными„которые выполняли функцию ИЛИ вЂ” НЕ.
Однако в отрицательной логике схема ТТЛ тоже выполняет функцию ИЛИ-НЕ. Следует подчеркнуть, что схеме ТТЛ свойствен большой логический перепад, причем в реальной цепочке, где каждый ИЛЭ связан с предыдущим и последующим, он будет таким же, как у изолированной схемы. Для логического перепада получаем: Ул Ек Усат Ек. Глава 10. Интегральные схемы 418 Усиление тока 10 в (Вг +1) раз (см, выше) является одной из проблем ТТЛ-элементов, так как приращение тока Ь1 =Вг 1с приводит к значительному возрастанию входного тока при уровне У1 на входе.
Поэтому при разработке ТТЛ-элементов стремятся максимально снизить инверсный коэффициент усиления транзисторов входного каскада (Вг ( 0,01). Наиболее эффективно такое снижение достигается путем шунтирования коллекторных переходов диодами Шоттки (см. равд. 8.4). На рис. 10.4, а показан простой ннвертор, осуществленный с помощью однозмиттерного транзистора, а на рис. 10.4, б — схема ИЛИ-НБ, осуществленная с помощью двух параллельно включенных ннверторов. Этн примеры иллюстрируют гибкость и универсальность основной схемы ТТЛ.
+Е„ еЕ„ а) б) Рлс. 10.4. Варианты испольаования схемы ТТЛ: а — инвертор; б — схема ИЛИ-НЕ Одним из существенных недостатков простейшей схемы ТТЛ, показанной на рис. 10.3, является ее малая нагрузочная способность: при подключении нескольких нагрузок возрастает аз„ суммарная нагрузочная емкость (показана штриховой линией) и пока стоянная времени Сггь, с которой ~а~ х эта емкость заряжается. Для того 1 л т, 1 чтобы ускорить заряд емкости и по- высить нагрузочную способность в т) а, ИЛЭ, вместо простого инвертора, со- т ",фс стоящего из одного транзистора, пс"а ' пользуется сложный инвертор, со- стоящий из трех транзисторов и ди- ода (рис.
10.5). Такую схему Рнс. 10.5. Логический алемент ттл со сложным инверто ом принято обозначать как ТТЛ-З. 10.2. Логические элементы ва биполярных транзисторах В сложном инверторе транзисторы Т1 и ТЗ включены по схеме Дарлингтона (см. рис. 9.1.); поэтому их можно рассматривать как одно целое; они вместе запираются и вместе отпираются.
Наличие резистора В не принципиальна: через него ответвляется часть тока 1«п что позволяет уменьшить ток 1«з, а значит, степень насыщения транзистора ТЗ. Совокупность транзисторов Т2 и ТЗ можно рассматривать как вариант двухтактного выходного каскада (см. рис. 9.26), в котором транзисторы работают поочередно: Т2 заряжает конденсатор С (ток 1,), а ТЗ ее разряжает (ток 1з). Диод Д обеспечивает запирание транзистора Т2 при открытом и насыщенном ТЗ, а резистор В ограничивает ток во время тех интервалов, когда Т2 открывается, а ТЗ еще не заперся. На смену первичным элементам ТТЛ, описанным выше, в конце 70-х годов пришли ТТЛ-микросхемы с диодами Шоттки (ТТЛШ). При этом диоды Шоттки (ДШ) использовались как для минимизации накопления заряда в насыщенных транзисторах, так и в качестве «ускоряющих» емкостей в ключевых элементах. Одна из разновидностей ТТЛШ-элементов использует матрицу диодов Шоттки вместо многоэмиттерного транзистора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
