Транзисторно-транзисторная логика.

Транзисторно-транзисторная логика.
МС ТТЛ широко применяются в цифровой аппаратуре и в ЭВМ. В них удачно сочетаются хорошие
функциональные показатели: быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочная способность – с
умеренным потреблением энергии и невысокой стоимостью. Более половины объема мирового
производства ИС приходится на долю ТТЛ. Сейчас налажен массовый выпуск нескольких разновидностей
ТТЛ-МС: универсальных (стандартных) серий, повышенного быстродействия, с малым потреблением
мощности и на транзисторах Шотки в обычном и маломощном вариантах. Принцип действия различных
модификаций ТТЛ одинаков и различаются они главным образом временем задержки сигнала и
потребляемой мощностью.
Основные характеристики некоторых серий
Микросхемы
№ серии
Время задержки
распространения на 1
элемент (нс)
Потребляемая
мощность (мВт)
Универсальная
(стандартная)
133, К155
18
10
Быстродействующая
130, К131
12
23
Микромощная
134, КР134
66
1
На транзисторах Шотки
530, К531
6
19
На транзисторах Шотки
маломощная
533, К555
19
2
Номенклатура микросхем ТТЛ весьма разнообразна. МС разных серий могут соединяться друг с
другом непосредственно. Могут сопрягаться и с ДТЛ.
Основная особенность МС ТТЛ состоит в том, что во входной цепи используется специфический
интегральный прибор – МНОГОЭМИТТЕРНЫЙ транзистор. От обычных биполярных транзисторов он
отличается тем, что имеет несколько эмиттеров (2, 3, 4 или 8) объединенных общей базой (рис.3.8.).
Эмиттеры расположены так, что непосредственное взаимодействие между ними через участок базы
отсутствует. Поэтому многоэмиттерный транзистор можно рассматривать как совокупность нескольких
независимых транзисторов с объединенными коллекторами и базами рис.3.8 б.
Такой транзистор занимает меньшую площадь, а, следовательно, имеет малую паразитную емкость,
благодаря чему предельное быстродействие МС ТТЛ выше. Число эмиттеров определяет число входов
элемента, в котором он используется.
Универсальные (стандартные) серии ТТЛ.
Самые развитые по номенклатуре – универсальные серии МС, в составе которых около сотни
изделий различного функционального назначения. К ним относятся МС серий 133 и 155. Основное различие
между изделиями этих двух серий в конструкции корпуса и стойкости к климатическим и механическим
воздействиям.
В функциональном отношении МС со сходными наименованиями, например 133 ИД1 и 155 ИД1
имеют одинаковые электрические и временные параметры и назначения выводов.
На рисунке представлена принципиальная схема базового элемента 155 (133) серии. Такие элементы
выпускаются как самостоятельные изделия, а также служат для построения других, более сложных
приборов.
Схема рис.3.9. содержит три каскада: входной (VT1 и R1); фазорасщепительный (VT2, R2, VT3, R3,
R4); выходной (VT4, VT5, R5, VD5).
Диоды на входе VD1 – VD4 (антизвонные) при нормальном использовании МС смещены в обратном
направлении, имеют очень большое сопротивление и не влияют на работу.
Узел VT3, R3, R4 служит для улучшения передаточной характеристики и повышения
помехоустойчивости. При упрощенном рассмотрении он может быть представлен как резистор 1 кОм.
Когда 1 или несколько входов соединены с общей шиной непосредственно или через выход
транзистора предыдущего каскада (т.е. входной сигнал равен 0), соответствующий эмиттерный переход VT1
окажется смещенным в прямом направлении, поскольку потенциал базы выше потенциала эмиттера.
Напряжения на базе VT1, равного, приблизительно, от 0,7 до 0,4 В, недостаточно для отпирания
трех переходов: база – коллектор VT1; база – эмиттер VT2 и база – эмиттер VT5.
Когда VT2 закрыт, на его коллекторе высокое напряжение. Ток, протекающий через резистор R2,
обеспечивает отпирание VT4 и диода VD5. Если нагрузка отсутствует, ток через VT4 и диод VD5 примерно
равен 0, а выходное напряжение равно:
U1вых=5 В – 2·0,7 В = 3,6 В
Рассматриваемый элемент выполняет таким образом операцию И – НЕ, поскольку Uвх=”0”,
Uвых=”1”.
Легче понять работу схемы, если многоэмиттерный транзистор VT1 (эмиттерный и коллекторный
переходы) заменить диодами – получится схема ДТЛ.
Передаточная характеристика базового элемента ТТЛ представлена на рис.3.10. Когда нагрузка
отсутствует, то U1вых=5 – 2·0,7=3,6 В, а U0вых=0,2 В (открытый VT5).
Резистор на входе ТТЛ.
Если между входами ТТЛ и общей шиной подключить резистор (рис.3.12.), то образуется
дополнительная цепь: Uп, R1, эмиттерный переход VT1, резистор RД. Ток, протекающий через резистор RД,
образует падение напряжения, которое действует на входы подобно входному напряжению от внешнего
источника сигналов.
При малых RД, когда Uвх<0,4 В, МС ведет себя, как в случае
действия низкого входного напряжения, т.е. Uвых=3,6 В (U1вых).
Значение RД при этом будет примерно равно 500 Ом. Для получения
высокого входного уровня (Uвх>2,4 В), при котором U0вых, RД  5 кОм.
В тех случаях, когда RД имеет промежуточные значения, рабочая
точка МС будет расположена на наклонном участке передаточной
характеристики.
Включение резистора на входе МС ТТЛ применяется в схемах
выделения фронтов импульсов, с помощью дифференцирующих R-C –
цепочек, в импульсных устройствах, а также для создания линейного
(усилительного) режима работы.
Разновидности МС ТТЛ
Микромощные МС ТТЛ
Эти МС в сравнении с приборами универсальных
серий потребляют гораздо меньше энергии, но
обладают меньшим быстродействием. К ним
относятся 134 и 734 (бескорпусная) серии.
Принципиальная схема базового элемента
мало отличается от соответствующих элементов
универсальных серий. Различие в основном состоит
в номиналах резисторов.
Поскольку сопротивления тут достаточно
велики, мощность, рассеиваемая на каждом
транзисторе
МС,
мала.
С
увеличением
сопротивления
быстродействие
МС
падает
(большее время на перезаряд емкостей). Однако с
уменьшением мощности, уменьшаются габариты, а
значит и емкости. Мощность уменьшается в 10 раз,
а С0 – в 3-5раз.
МС ТТЛ повышенного быстродействия
Быстродействие МС можно повысить
двумя путями: а) уменьшая сопротивление
резисторов
и
паразитные
емкости;
б)
предотвращая насыщение транзисторов схемы, а,
следовательно, и накопление носителей зарядов в
их базах. Малые сопротивления в МС серий 130 и
131 (tЗ.Р. – 12 нс при Р – 23 мВт). Базовый элемент
в принципе не отличается от аналогичных
элементов других серий ТТЛ. Выходной каскад с
парой
совмещенных
транзисторов
(схема
Дарлингтона) обладает меньшим выходным
сопротивлением, что способствует повышению
быстродействия.
Более результативный и перспективный
путь связан с применением транзисторов с
барьером Шотки.
МС ТТЛ с транзисторами Шотки.
МС этого вида среди других изделий ТТЛ имеют максимальное быстродействие при умеренном
потреблении мощности.
В p-n – переходе обычного диода, смещенном в прямом направлении, перенос тока обусловлен
инжекцией неосновных носителей из одной области полупроводника в другую, вследствие чего после
переключения приложенного напряжения с прямого на обратное, ток протекает некоторое время, пока
избыточная концентрация неосновных носителей не снизится до 0 (время рассасывания).
В диодах Шотки накопления неосновных носителей не происходит. Здесь
перенос тока обусловлен основными носителями – электронами, которые под
действием высокого напряжения переходят из полупроводника в металл.
Неосновные носители заряда при этом не накапливаются. Благодаря
этому их время выключения очень мало (до 100 пс = 0,1 нс). Для p-n перехода это
время = 1 – 100 нс.
Другое достоинство диодов Шотки в том, что они отпираются при
напряжении 0,2 – 0,4 В (против 0,4 – 0,7 для p-n перехода).
Диоды подключают параллельно коллекторному переходу, придавая
транзистору новые свойства. Такие транзисторы называются транзисторами
Шотки.
Когда транзистор заперт или находится в ненасыщенном режиме, потенциал коллектора выше
потенциала базы, диод смещен в обратном направлении и не влияет на работу транзистора. Если в процессе
отпирания транзистора потенциал коллектора становится ниже потенциала базы, диод открывается и на нем
прямое падение напряжения Uд < 0,4В.
При этом коллекторный переход практически заперт, а, следовательно, не возникает режима
насыщения и накопления избыточных зарядов. Благодаря этому, при запирании транзистора исключается
задержка, связанная с рассасыванием избыточного заряда.
Способ увеличения числа входов И
Увеличить число входов (расширение по И) можно применением нескольких схем И – НЕ.
Например, на двухвходовую схему И – НЕ подать выходы с двух, 4-х или 8-ми входовых И – НЕ. Получится
8-ми или 16-ти входовая схема И.
Тот же результат может быть получен подключением дополнительных внешних диодов и резистора
к любому из входов логического элемента И – НЕ (рис.3.18.). Сопротивление резистора определяется в
соответствии с требуемым быстродействием. С увеличением R д задержка будет возрастать.
Обычно принимают Rд = 1–2 кОм.
Логические элементы И – НЕ наиболее характерны для
семейства ТТЛ. Они производятся в виде самостоятельных МС, а
также служат для построения других устройств. Кроме базового
элемента (155 ЛА4 33 И-НЕ) выпускаются также 42 И-НЕ (ЛА3),
8 И-НЕ (ЛА2), 24 И-НЕ (ЛА6), 42 И-НЕ (ЛА12) МС 155 ЛА12
имеет повышенную нагрузочную способность до 30 входов.
Схема логического элемента И-ИЛИ-НЕ (а также ИЛИ-НЕ)
получается путем подключения параллельно транзистору –
расщепителю фазы дополнительных транзисторов со своими
входными каскадами.
На рис.3.19. показана принципиальная схема логического
элемента 22И-2ИЛИ-НЕ (половина МС 155 ЛР1). Если входы x1 и
x2, а также x3 и x4 перемкнуть, элемент будет выполнять функцию ИЛИ-НЕ.
В составе серий 155 ТТЛ и 555 ТТЛШ есть и другие, более сложные МС. Они обладают большой
функциональной гибкостью.
На рис.3.20. представлена МС 155 ЛР3.
Здесь выходной сигнал: y = V  (x1  x2  x3)  x1  x2  x3
В зависимости от сигнала на входе V схема работает как элемент 3ИЛИ-НЕ либо 3И-НЕ.
Действительно, если V=0, то y = x1  x2  x3 , а при V=1 y = x1  x2  x3 .
Расширение по ИЛИ
Увеличение числа секций И-ИЛИ может
осуществляться путем применения специальных МСрасширителей по ИЛИ (экспандеров).
Схема расширителя (155 ЛД1) представлена на
рисунке 3.21. Выводы транзистора VT 2 К и Е
расширителя подключают к точкам К и Е логического
элемента ИЛИ (к расширителю фазы).
Каждый
такой
расширитель
увеличивает
задержку распространения сигнала на 3 – 5 нс.
Исключающее ИЛИ
Интересна МС 155 ЛП5, содержащая в одном корпусе 4 элемента “исключающее ИЛИ” (рис.3.11).
Действие каждого из элементов описывается выражением:
y = x 1 x 2  x1 x 2 = x 1  x 2
Таблица истинности элемента “исключающее ИЛИ”:
Из таблицы истинности и уравнения следует, что “0” на выходе будет, когда сигналы на входах
одинаковы. Операция “исключающее ИЛИ” соответствует арифметическому сложению двух двоичных
чисел, если не учитывать единицу старшего разряда, возникающую в сумме 1+1=10. Отсюда второе
название операции – СЛОЖЕНИЕ ПО МОДУЛЮ ДВА.
Если на одном из входов элемента =1, например x1, поддерживать логическую “1”, то:
y = 1  x2  0  x2 = x2  инвертор
Если x1=0, то:
y = 0  x2  1  x2 = x2  повторитель
Элементы “исключающие ИЛИ” используются в арифметических устройствах (для выявления
неравенства двух двоичных разрядов), для формирования и генерации импульсных сигналов, в качестве
удвоителей
частоты,
для
определения
фазового
сдвига
двух
импульсных
последовательностей.
На рис.3.23 приведен пример схемы
формирования
коротких
импульсов
из
переднего и заднего фронтов Uвх на базе
сумматоров по модулю два. Эта схема также
может использоваться в качестве удвоителя
частоты.
О соединении входов и выходов МС ТТЛ
К одному выходу МС можно подключать от 10 до 30 входов ТТЛ той же серии. Для увеличения
выходной мощности МС, казалось бы, можно, соединить выходы 2x – 3х МС. Однако, если в одной МС
открыт нижний транзистор, а в другой верхний, в цепи потечет ток, ограниченный только резистором
R5(~50 Oм). Это около 100 мА, такой ток опасен для транзистора.
По этой причине соединять выходы между собой нельзя. Как исключение, допускается
параллельное включение входов и выходов двух логических элементов одного корпуса.
Неиспользуемые ЛЭ ТТЛ
МС, выполняющие простейшие операции (И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ и др.)
обычно содержат в одном корпусе несколько независимых ЛЭ, связанных только
одним питанием. При составлении схемы дискретного устройства часто получается,
что отдельные ЛЭ остаются свободными.
Рекомендуется такие элементы включать так, чтобы их выходы имели высокий
потенциал, для чего входы логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ соединяют с общей (земляной) шиной. В
этом случае рассеиваемая мощность минимальна, а сами элементы можно использовать для создания
логической единицы на входах других приборов.
Неиспользуемые входы ТТЛ
1)
2)
3)
1)
2)
3)
У ЛЭ, включенных в схему, могут оставаться свободными один или
несколько входов. Эти входы следует либо соединять с работающими, либо к ним
надо подводить постоянные напряжения, соответствующие уровню логического "0"
или "1" – в зависимости от условий.
На практике с неиспользуемыми входами поступают следующим образом:
Объединяют с используемым с учетом выполняемых данным входом функций, если это не ведет к
превышению нагрузочной способности предыдущего каскада;
Соединяют с общей шиной (с "0");
Для создания уровня логической "1" напряжение на входе должно находиться в пределах 2,4~3,6 В.
Непосредственное подключение входов ТТЛ к проводу питания U п недопустимо из-за большого
входного тока Iвх.
Логическую "1" на входе ТТЛ обеспечивают одним из следующих способов:
Подключают к выходу свободного элемента, чаще всего И-НЕ, входы которого соединяют с общей
шиной (генератор константы 1); максимальное число входов, подключаемых к элементу, определяется
его нагрузочной способностью;
На неиспользованные входы подают напряжение 2,4~3,6 В от отдельных источников питания;
Неиспользуемые входы подсоединяют к своему источнику питания (U п) через ограничивающий
резистор R=1~2 ком. К этому резистору допускается присоединять до 20 входов МС ТТЛ серий 155 и
133;
Неиспользуемые входы ТТЛ, на которых постоянно должна быть логическая "1", в крайнем случае,
можно оставлять свободными: за счет токов утечки на них устанавливается нужное напряжение, но
надо иметь в виду, что этот способ ведет к уменьшению быстро действия и помехоустойчивости,
особенно при большой частоте переключений, так как свободные входы подвержены действию
наводок.
Если у ЛЭ И-ИЛИ-НЕ в секции И остаются лишние входы, их следует соединить с используемыми
входами той же секции.
Если вся секция И не применяется, на всех ее входах должен быть "0". Неиспользуемые входы для
подключения расширителей по ИЛИ оставляют свободными.
4)
Совместное применение разных серий ТТЛ
В цифровой аппаратуре в пределах одного узла отдельные МС могут работать с разными частотами.
Например, в счетчиках-делителях входные триггеры переключаются с большой частотой, а каждый
последующий с частотой вдвое меньшей. Поскольку по уровню сигналов серии согласованы, совместно
можно применять быстродействующие МС с большим потреблением энергии и медленные с малым, т.е.
находить оптимальный вариант. Однако при этом следует учитывать особенности каждой серии.
Нагрузочная характеристика МС ТТЛ.
Универсальн.(133,155)
Быстродействующие
Микро мощные
Шотки 530, 531
Маломощные Шотки 533,535
Таблица.3.2.
Число входов подключенных серий
155,133
130,131
134
530,531
10
8
40
8
12
10
50
10
2
1
20
1
12
10
100
10
5
4
40
4
533,535
20
25
10
50
20
МС с повышенным и высоким быстродействием имеют малое входное и выходное сопротивление и
в моменты переключений создают кратковременные броски тока в цепи U пит, которые могут являться
причинами помех.
У быстродействующих МС на транзисторах Шотки крутизна фронтов импульсов очень велика и
здесь следует считаться с возможностью высокочастотных наводок по сигнальным цепям, особенно при
открытых входах, которые действуют подобно антеннам.
Для уменьшения влияния помех по цепям питания ставят фильтры: между "+" и "–" С = 4,7–10 мкф
и электролитические керамические 0,047–0,47 на каждые 5–10 корпусов.
Питание ТТЛ схем от источников 5В5%(общ. примен.) и 510%(спец. назнач.). Пульсации до 100
мв. Допускается кратковременное повышение Uп до 7В на 5мс. Обычно ставят стабилизатор.
3.2.4. Типы выходных каскадов
МС с открытым коллектором
Выходы некоторых МС выполнены так,
что верхний выходной транзистор и относящиеся
к нему элементы отсутствуют. Это так
называемые
элементы
со
свободным
(открытым) коллектором.
На его выходе формируется сигнал,
только низкого уровня. Поэтому для нормальной
работы выходного транзистора коллектор следует
подключить к источнику питания через внешнюю
нагрузку: резистор, элемент индикации, реле и
т.п.
Для выпуска таких МС есть, по меньшей
мере, две причины:
1.
Выходной транзистор может быть
использован для управления внешними устройствами,
которые к тому же могут работать от других
источников питания. Например, МС 155 ЛА11
позволяет подводить к выходному транзистору до 30
В. Эти МС легко также вводить в линейный
(усилительный) режим.
2.
ЛЭ
с
открытым
коллектором
допускают параллельное соединение нескольких
выходов к общей нагрузке. Такое объединение
выходов называют МОНТАЖНОЙ (ПРОВОДНОЙ)
ЛОГИКОЙ.
Имея дело с монтажной логикой, следует
учитывать, что каждый компонент схемы утрачивает
самостоятельность и действует как элемент общей
системы. Так, если на одном выходе низкий
потенциал, то тот же потенциал окажется на выходе всей системы. Чтобы обеспечить логическую 1 на
общем выходе, необходимо иметь логические 1 на всех выходах.
Каждый из ЛЭ производит операцию И-НЕ:
y1 = x1  x1; y 2 = x 2  x 2  x 2; y n = x n  x n
Следовательно:
Fвых = x1  x1  x 2  x 2  x 2    x n  x n
Преобразовав последнее выражение на основе закона Де Моргана, получим:
F = x1  x1  x 2  x 2  x 2  ...  x n  x n
или
F = x1  x1  x2  x2  x2  ...  xn  xn
Из этих выражений следует, что ЛЭ с объединенными выходами функционируют подобно ЛЭ ИИЛИ-НЕ, выполняя операцию ИЛИ-НЕ по отношению к входным переменным, связанным операциями И в
каждом ЛЭ. Такое толкование послужило причиной наименования “МОНТАЖНОЕ ИЛИ”. Однако для
положительной логики верно “монтажное И”.
Расчет Rн микросхемы 155ой серии с открытым коллектором в [зельдин]:
К155 ЛН2 – 6 элементов НЕ
ЛН3 – 6 НЕ с повышенным Uк
ЛН4 – 6 буферных формирователей
ЛН5 – 6 НЕ с повышенным Uк
ЛА7 – 24 И–НЕ
ЛА8 – 42 И–НЕ
ЛА10 – 33 И–НЕ
ЛА11 – 42 И–НЕ с повышенным Uк
ЛА13 – 42 И–НЕ буферных формирователей
ЛА18 – 22 И–НЕ с мощным выходом
ЛИ5 – 22 И с мощным выходом
ЛЛ2 – 22 ИЛИ с мощным выходом
Микросхемы с тремя логическими состояниями
Устройства, оперирующие с дискретной информацией, при высоком уровне выходного напряжения
имеют малое сопротивление между выводом “Выход” и шиной питания. В противоположном состоянии у
“Выхода” малое сопротивление по отношению к общей шине. В обоих случаях выходной вывод имеет
определенный электрический потенциал, который воздействует на входы последующих приборов (МС).
Существует категория МС, способных принимать и третье состояние, когда выход МС отключен от
нагрузки. Такое состояние называют ВЫСОКООИМПЕДАНСНЫМ. Перевод МС в это состояние
осуществляется по специальному входу Z. В зависимости от конкретного типа МС отключение выхода
может осуществляться 1 или 0.
Упрощенная электрическая схема элемента с тремя состояниями и ее условное обозначение
представлены на рис.3.30.
Когда на входе Z низкий уровень, то VT3 заперт и не влияет на работу схемы. Если Z имеет
высокий уровень, то VT3 открыт и базы транзисторов VT1 и VT2 соединены с низким потенциалом (земля).
Транзисторы VT1 и VT2 закрыты.
В результате связь логической части элемента с его выходом разрывается, элемент со стороны
выхода приобретает высокий импеданс. Уровень потенциала на выходе неопределен (плавающий) – он
может быть любым в зависимости от соотношения токов утечки VT1 и VT2.
Третье состояние, в отличие от 1 и 0, обозначается Z, а символ такого выхода – ромб с поперечной
чертой.
Элементы с 3-мя состояниями выхода разработаны специально для применения в качестве
выходного управляемого буфера для подключения цифровых блоков к магистралям (рис.3.31.).