Транзисторно-транзисторная логика -ТТЛ

ТТЛ логика с самого начала была ориентирована только для выпуска ИС малой и средней интеграции и никогда не использовалась в производстве БИС из-за большой потребляемой и рассеиваемой мощности. Микросхемы ТТЛ развивались параллельно с ДТЛ и, по мере развития технологии вытеснили последнюю из разработок. Выпущено множество серий ТТЛ. Принцип действия их похож и различаются они главным образом временем задержки сигнала и потребляемой мощностью.

Номенклатура микросхем ТТЛ весьма разнообразна и содержит различные изделия, от простых логических элементов до законченных функциональных узлов: счетчиков, регистров, запоминающих и арифметико-логических устройств. Самыми развитыми по номенклатуре являются универсальные серии микросхем, в составе которых свыше сотни наименований элементов. Основные электрические параметры для всех серий ТТЛ согласованы, благодаря чему изделия, относящиеся к разным сериям, могут непосредственно соединяться друг с другом. Типовые значения этих параметров приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Основные электрические параметры ТТЛ

Каждая серия наилучшим образом удовлетворяет определенным функциональным и техническим требованиям. Если к аппаратуре не предъявляется особые условия, применяют микросхемы универсальных серий. Когда требуется малый расход энергии и устраивает пониженное быстродействие, используют приборы экономичных серий. Аппаратура повышенной производительности разрабатывается на высокоскоростных сериях.

Особенность ТТЛ состоит в том, во входной цепи используется специфический интегральный прибор – многоэмиттерный транзистор (МЭТ), представляющий собой совокупность транзисторов с объединенными коллекторами и базой (рис 3.4б). МЭТ отдельно не выпускается и используется только в ИС.

Рис 3.4. Базовый элемент ТТЛ: (а) Схема ЛЭ И-НЕ; б) схема замещения многоэмиттерного транзистора; в) условное изображение логического элемента И-НЕ; г) таблица состояния.

Базовый элемент ТТЛ (рис 3.4а) условно можно разделить на три каскада:

¾ входная логика выполнена на основе многоэмиттерного транзистора VTI с резистором R1. Логическая функция И. Диоды на входе VD1-VDn (так называемые антизвонные диоды) защищают входы от отрицательных выбросов входного напряжения. При нормальном использовании ИС защитные диоды смещены в обратном направлении и не влияют на работу логики;

¾ фазорасщепитель, выполненный на транзисторе VT2 с резисторами коллекторной и эмиттерной нагрузки R2 и R3;

¾ двухтактный сложный инвертор на транзисторах VT3 и VT4 и диоде VD0. Резистор R4 ограничивает сквозной ток через транзисторы.

При соединении одного или нескольких входов с общей шиной – непосредственно или через выходной транзистор предыдущего каскада, соответствующий эмиттерный переход транзистора VT1 смещен в прямом направлении, поскольку потенциал его базы выше потенциала эмиттера. Транзистор VT2 заперт, так как напряжения на базе VT1 [0.7+(0.1¸0.4)]В недостаточно для отпирания трех переходов; коллекторного VT1 и двух эмиттерных VT2 и VT4. Практически равны нулю токи коллектора и эмиттера VT2. Нулевое падение напряжения на R3 удерживает VT4 в запертом состоянии. На базе транзистора VT3 высокий потенциал, вследствие чего транзистор VT3 открыт и насыщен. На выходе ЛЭ удерживается высокий уровень.

Если на все входы Х1-Хn подан высокий уровень, эмиттерные переходы МЭТ обратно смещены. Ток, задаваемый резистором R1, протекает через базовый переход VT2, удерживая его в насыщенном состоянии. Напряжение на резисторе R3 открывает транзистор VT4, обеспечивая насыщенный режим. Падение напряжения на R2 приводит к тому, что напряжение на базе VT3 оказывается ниже, чем напряжение на его эмиттере; VT3 находится в запертом состоянии. На выходе ЛЭ поддерживается высокий уровень, а сам ЛЭ выполняет логическую операцию И-НЕ.

Для надежного запирания транзистора VT3 при низком выходном уровне в цепь эмиттера VT3 включен диод VD0. Напряжение на базе U_{бэ3_зап} , запирающее транзистор VT3, оказывается равным

Сложный выходной каскад ЛЭ, выполненный по двухтактной схеме, обеспечивает ряд положительных качеств. Заряд и разряд емкости нагрузки происходит большим током через насыщенные транзисторы, что поышает быстродействие элемента.

При логической единице на выходе через выходной каскад протекает только ток нагрузки, отсутствует сквозной ток, что снижает энергопотребление.

В момент переключения (единицы нс) выходные транзисторы одновременно оказываются в активном состоянии и через транзисторы протекает «сквозной ток», характерный для вех ТТЛ серий. Вследствие чего возникает пик потребления тока по цепям питания, растет уровень помех в общих шинах питания. Для ограничения величины «сквозного тока» в коллекторную цепь VТ4 включен резистор R4. Однако чрезмерное увеличение сопротивления этого резистора, во-первых, увеличивает мощность, рассеиваемую в элементе, и, во-вторых, уменьшает его нагрузоч­ную способность. Для снижения к минимуму действия помех шина питания должна выполняться с малой собственной индуктивно­стью, низким омическим сопротивлением и вблизи корпуса ИС шунтироваться дополнительными быстродействующими конденса­торами с малой паразитной индуктивностью (как правило, керамическими).

Рис 3.5. Логический элемент 2И-2ИЛИ-НЕ

Логические элементы И-НЕ наиболее характерны для семейства ТТЛ. Для полноты выполняемых логических функций в составе серии должны быть элементы, выполняющие операцию ИЛИ. Это достигается за счет параллельного включения транзисторов VT₂ и VT₂’, когда нескольких входных узлов объединяются на входе общего выходного каскада (на рис 3.5 объединены два входных узла). Два входных логических блока И объединяются операцией ИЛИ и поступают на общий инвертор НЕ. Весь ЛЭ (рис 3.5) реализует трехуровневую логическую операцию И-ИЛИ-НЕ. Если перемкнуть попарно входы Х1 с Х2 и Х3 с Х4, то элемент будет выполнять операцию ИЛИ-НЕ.

Подобные элементы обладают большой функциональной гибкостью. В составе серий им присвоен буквенный индекс ЛР, они выпускаются с различным количеством входов И, с различным количеством логических блоков ИЛИ: К155ЛР1, К555ЛР4, К1554ЛР11 и др.

За длительное время существования ТТЛ серий отечественная промышленность выпустила ассортимент серий для широкого спектра задач:

¾ микромощные ИС ТТЛ потребляют примерно в 10 раз меньше энергии по сравнению со стандартной серией, но обладают соответственно, примерно в 10 раз меньшим быстродействием . К ним относится серия 134 (КР134) и 734 (бескорпусная), схема базового элемента которых мало отличается от соответствующего элемента универсальных серий. Различие в основном состоит в номиналах резисторов;

¾ Маломощные ИС ТТЛ серий 136, К158 занимают промежуточное положение между микромощными и универсальными сериями;

¾ В ИС ТТЛ повышенного быстродействия (серии 130 и К131) скорость переключения повышена до 12 нс при потреблении 23 мВт за счет;

o уменьшения сопротивления транзисторов (большие токи),

o уменьшения паразитных емкостей (малые размеры элементов),

o предотвращения насыщения транзисторов.

Базовый элемент быстродействующей ТТЛ логики (рис 3.6) в принципе не отличается от других серий ТТЛ. Выходной каскад парой образован составных транзисторов (схема Дарлингтона). Это обеспечивает меньшее выходное сопротивление, что способствует быстрой зарядке емкости нагрузки. Благодаря последовательно включенным переходам база-эмиттер транзисторов VT3, VT5 надежное запирание выходного транзистораVT5 обеспечивается без дополнительного диода в цепи эмиттера.

Рис 3.6. Базовый элемент ТТЛ повышенного быстродействия

Узел VT4, R3 и R4 заменяет резистор в стандартной схеме, служат для улучшения передаточной характеристики и повышения помехоустойчивости.

Тактовая частота триггеров и счетчиков 130 серии до 50 МГц.