Логические элементы интегральных микросхем

Транзисторно-транзисторные логические элементы

Основой для биполярных цифровых ИС является многоэмиттерный транзистор, обеспечивающий реализацию логических операций И и ИЛИ. Он используется во входных цепях микросхем, а вместе с обычным транзистором— инвертором образует базовую логическую схему. Цифровые ИС, в которых для логических операций И и ИЛИ используются многоэмиттерные транзисторы, а для операции НЕ — транзисторный инвертор, получили название транзисторно-транзисторной логики или сокращенно ТТЛ.

На рис. 3.10 показана простейшая схема ТТЛ. Если на все входы транзистора VT1 подан высокий потенциал, то все его эмиттеры заперты и эмиттерные токи отсутствуют. Заметим, что полярность источника питания U_uu — прямая для р-я-перехода база—коллектор транзистора VT1, и этот переход остается открытым. Поэтому по цепи «U_lul—R—база VT — коллектор VT1—база VT2—эмиттер VT2—корпус» течет ток /_Б нас, который открывает и вводит в насыщение транзистор VT2.

Так как VT2 и R₂ представляют инвертор (см. рис. 3.7, а), при насыщенном VT2 на выходе схемы образуется сигнал 0, потому что потенциал U_Bhlx окажется близким к низкому потенциалу корпуса. Сопротивление резиc ropa /v, подобрано гак, чтобы за счет падения напряжения на нем от тока /_Б нас транзистора VT.2 потенциал точки а (базы транзистора VT1) был бы ниже, чем +t/_BX, и эмиттеры VT1 оставались бы запертыми.

Рис. 3.10. Простейший элемент ТТЛ.

При подаче низкого потенциала 0 хотя бы на один из входов открывается р-и-переход этого эмиттера, появляется значительный ток /_э, который создает на R_x падение напряжения 1^R, почти целиком уравновешивающее U"". Потенциал точки а приближается к нулевому потенциалу корпуса, в результате чего разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора VT2 становится близкой к нулю, ток /_Б транзистора VT2 прекращается и он переключается в режим отсечки. В результате потенциал (/_пых ~ U_nn. Таким образом, в позитивной логике, когда за логическую единицу принят высокий уровень напряжения, многоэмиттерный транзистор VT1 выполняет операцию И, а транзистор VT2 с резистором R₂ — операцию НЕ, реализуя таким образом базис И-НЕ. В негативной логике, когда за логическую единицу принимается низкий уровень напряжения, схема реализует базис ИЛИ-HE, что и обозначают в скобках на выходе схемы у.

В простейшей схеме ТТЛ транзисторы входят в насыщение, а это ведет к увеличению времени переключения схемы, поэтому в интегральной схемотехнике эта схема в чистом виде не используется. Для устранения режима насыщения транзисторов в настоящее время в ИС используются транзисторы Шоттки, отчего в названии логики появилась буква «Ш» — ТТЛ III.

Базовый элемент ТТЛIII представлен на рис. 3.11. Вместо инвертора, состоящего из транзистора VT2 и резистора R₂ в схеме рис. 3.10 применяют сложный инвертирующий каскад, который обеспечивает высокий ток нагрузки и значительно меньшую потребляемую мощность. Сравним эти схемы.

При синтезе различных цифровых устройств одного логического элемента, конечно, недостаточно. Поэтому нагрузкой для логического элемента являются входы аналогичных логических элементов — эмиттеры многоэмиттерных транзисторов. Пусть на выходе схемы обычного инвертора логический нуль. При этом ток в нагрузку не течет, зато через резистор R₂ будет течь значительный коллекторный ток насыщения, который просто нагревает схему. Когда на выходе схемы логическая единица, транзистор VT2 закрыт. Ток в нагрузку будет течь от источника питания через резистор R₂. Чем больше ток нагрузки, тем больше будет падение напряжения на резисторе. При этом мощность, рассеиваемая на резисторе, возрастает, а выходное напряжение, соответствующее логической единице, надает и может стать недопустимо низким.

Рис. 3.11. Базовый элемент ТТЛШ.

В схеме сложного инвертора в выходном каскаде применен составной эмиттерный повторитель, состоящий из транзисторов VT3 и VT5. Теперь ток нагрузки создается транзистором VT5. Ток эмиттера транзистора VT3 является током базы для транзистора V7T5, поэтому он может быть в (3₅ раз меньше тока нагрузки ((3₅ — коэффициент передачи тока транзистора VT5). Ток через резистор R₂ теперь является током базы для транзистора VT3 и может быть меньше его эмиттерного тока в Р₃ раз (Р₃ — коэффициент передачи тока транзистора V73). Таким образом, ток через резистор R₂ может быть меньше тока нагрузки в Р₃ • (3₅ раз. Ток открытого транзистора V’T2 в схеме сложного инвертора, так же как и в схеме обычного инвертора, обеспечивает уровень логического нуля. Но теперь он может быть гораздо меньше. Он должен лишь обеспечивать открытое состояние транзистора VT4, который обеспечивает на выходе схемы потенциал, близкий к потенциалу корпуса. Каскад, состоящий из транзистора VT6 и резисторов R_iy R_g, необходим для ускоренного включения транзистора VTA. В момент переключения схемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля транзисторы VT2_y VTA и VT6 закрыты и переход база—эмиттер транзистора VT6 имеет высокое сопротивление. Сопротивление транзистора VT6, высокое в начале переходного процесса, складывается с сопротивлением Т?₄, и эмиттерный ток транзистора VT2 на их общем сопротивлении создает увеличенное падение напряжения, которое быстрее открывает транзистор VTA. В момент выключения транзисторов при переходе из логического нуля к логической единице транзистор VT6 открыт, что позволяет транзистору VT2 быстрее перейти в запертое состояние.

Для повышения помехоустойчивости эмиттеры VT1 соединены с корпусом через диоды VD1, VD2, запертые для входных сигналов положительной полярности. Они открываются только при отрицательной полярности напряжений на входах, что наблюдается при переходных процессах, когда из-за паразитных индуктивностей и емкостей в цепях, подключенных к входам базового элемента, возникают затухающие колебания. Их значительная начальная амплитуда может вызвать ложное срабатывание входной логики. При включении диодов этого не происходит, так как первая же отрицательная полуволна помехи открывает диод и замыкается через него. При этом на соответствующем эмиттере создается напряжение, равное ЭДС отпирания диода, не превышающее долей вольт. Следующие затухающие как отрицательные, так и положительные полуволны помехи имеют еще меньшую амплитуду, не превышающую сигнала логической единицы и, значит, не вызывающие ложного срабатывания элемента.

Первоначально на основе элементов ТТЛШ разрабатывались быстродействующие цифровые вычислительные устройства и, в частности, ЭВМ. Однако в дальнейшем совершенствование технологии КМОП привело к вытеснению элементов ТТЛШ, поскольку элементы КМОП обладают гораздо меньшей потребляемой мощностью. Тем не менее элементы ТТЛШ в настоящее время продолжают использоваться главным образом во входных и выходных цепях вычислительных устройств. Это объясняется их высокой помехоустойчивостью, способностью работать на емкостную нагрузку, которая всегда присутствует там, где выходные линии связи имеют протяженность более нескольких дециметров.