Транзисторно-транзисторная логика. 
Электроника и схемотехника

Первые интегральные ЛЭ строились на транзисторах с непосредственной связью. Затем была освоена резисторно-транзисторная и диодно-транзисторная технологии. Эти технологии не получили широкого распространения и были вытеснены более совершенной технологией — транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ), отличительная особенность которой состоит в использовании многоэмиттерных транзисторов.

Базовые варианты схем ЛЭ. Простейшая схема ТТЛ-элемента приведена на рис. 9.15, а. При комбинации входных сигналов Х_{ = 1, Х₀ = 0 один из переходов база — эмиттер транзистора УТМ заперт напряжением, создаваемым на резисторе другой открыт и оказывает шунтирующее действие. Базовый ток ?_Б = 0, транзистор УТ заперт, напряжение на коллекторе равно +?, поэтому У = 1. При двух других комбинациях входных сигналов X, = О, Х₀ = 1 и Х₁ = Х₀ = О ЛЭ сохраняет свое состояние.

Если Х_{ = Х₀ = 1, т. е. на оба входа логического элемента подано положительное напряжение или оба входа свободны (изолированы), то через УТбудет протекать базовый ток г_Б, потенциал коллектора УТ понизится до значения, близкого к нулю, что соответствует У = 0 на выходе ЛЭ.

Таким образом, ЛЭ выполняет операцию И-НЕ. Для повышения помехоустойчивости, нагрузочной способности и быстродействия в интегральных схемах логических элементов транзисторно-транзисторной логики используют сложный инвертор. Один из базовых вариантов схемы логического элемента со сложным инвертором изображен на рис. 9.15, 6. Инвертор содержит фазорасщепляющий каскад на транзисторе УТ_{ и двухтактный каскад по схеме ОК—ОЭ на транзисторах УТ₂, УТ₃. Переход база — эмиттер транзистора УТ_{ выполняет функцию дополнительного источника смещения, увеличивая порог переключения логического элемента, что повышает его помехоустойчивость. Резистор /?₄ служит для ограничения тока при возможном коротком замыкании выхода логического элемента и при переключении логического элемента, когда открыты оба выходных транзистора УТ₂, УТ₃, т. е. выполняет защитные функции. Диод УЭ предназначен для надежного запирания транзистора УТ.,.

Если Х_х = Х_а = 0, или Х_{ = О, Х₀ = 1, или Х_х = 1, Х₀ = О, то через переходы база — эмиттер транзисторов УТ_[, УТ₃ ток не протекает и они закрыты. Транзистор УТ₂ открыт, и после заряда нагрузочной (паразитной) емкости С по цепи +Е -* Я_х~* УТ₂ -* УБ -* С -* общая точка на выходе логического элемента устанавливается сигнал У- 1.

При подаче сигналов Х_х = Х₀ = 1 через коллекторный переход УТМ и базовые переходы УТ_Х, УТ₃ начинает протекать ток. Транзистор УТ_Х отпирается, напряжение на его коллекторе понижается, благодаря чему УТ., запирается. Однако в отсутствие диода УО транзистор УТ₂ может остаться в открытом состоянии. Поэтому для более надежного запирания УТ₂ в схему введен диод VI). Поясним необходимость этой меры. Параллельно переходам коллектор — база и база — эмиттер открытого транзистора УТ_Х подключены такие же переходы база — эмиттер транзистора УТ₂ и коллектор — база транзистора УТ₃. Так как через переход база — эмиттер транзистора У7 протекает ток, то и через переход база — эмиттер транзистора УТ₂ может протекать ток, поддерживая его в открытом состоянии. Включение диода УО, выполняющего функции источника напряжения смещения, в эмиттерную цепь транзистора УТ., обеспечивает его надежное запирание. После запирания транзистора УТ₂ нагрузочная емкость С разряжается через транзистор УТ₃, открытое состояние которого поддерживается протекающим базовым током и входным током следующего логического элемента. На выходе фиксируется сигнал У = 0. Таким образом, ЛЭ реализует операцию И-НЕ.

Логический элемент способен работать на емкостную нагрузку с большими скоростями переключений. Это обусловлено тем, что заряд и разряд емкости С происходят через открытые транзисторы УТ., и УТ₃ соответственно, обеспечивающие большие токи. Известно, что скорость изменения напряжения на конденсаторе (Ш/(к = г/ С.

Расширение функций ЛЭ. В некоторых ЛЭ ТТЛ (см. рис. 9.15, б) предусмотрены выводы 1, 2 для подключения расширителя (рис. 9.16, а). При подключении расширителя (рис. 9.16, б) логический элемент реализует операцию 2И-ИЛИ-НЕ, в результате которой на выходе формируется сигнал У = Х₃? Х.₂ V Х_х ? Х₀. При этом:

• • операции логического умножения (2И) выполняют два многоэмиттерных транзистора УТМ;
• • операция логического сложения (ИЛИ) обеспечивается благодаря параллельному включению транзисторов У1 и УТ;
• • операцию отрицания (НЕ) реализует выходной инвертор на транзисторах УТ, УТ_Х, УТ₂, УТ₃.

Условное графическое обозначение логического элемента 2И-ИЛИ-НЕ приведено на рис. 9.16, в.

Рис. 9.16. Схема расширителя (а), схема ЛЭ 2И-ИЛИ-НЕ (б) и его условное графическое обозначение (в).

Элемент И-НЕ с улучшенными характеристиками. На рис. 9.17, а изображена схема ЛЭ, имеющего следующие отличия от базовой схемы на рис. 9.15, б:

• • к входным выводам подключены диоды УО_], УП₂, которые служат средством защиты от импульсных помех отрицательной полярности;
• • в верхнем плече выходного двухтактного каскада используется составной транзистор (УТ₂, УГ₄), позволяющий благодаря большому коэффициенту усиления тока повысить нагрузочную способность (выходной ток) элемента в выключенном состоянии и уменьшить время переключения из «О» в «1»;
• • введена цепь нелинейной коррекции 7?₃, Т?₄,^Тз, позволяющая повысить быстродействие и приблизить к прямоугольной форме передаточную характеристику /7_ВЫХ = Е ({/_вх) элемента.

Принцип действия корректирующей цепи основан на зависимости ее сопротивления от состояния транзистора УТ₃. Если Х₀ = О или X, = 0, то транзисторы УТ_Х, УТ₃, УТ₅ находятся в запертом состо;

Рис. 9.17. Схемы ЛЭ с улучшенными показателями на биполярных транзисторах (а) и транзисторах Шоттки (б).

янии. При появлении уровня логической единицы на обоих входах логического элемента отрывается транзистор УТ_Х. Так как цепь коррекции при выключенном УТ₃ имеет большое сопротивление (определяемое значением Я₃), весь эмиттерный ток УТ_Х втекает в базу транзистора УТ₅, благодаря чему он быстро переходит в проводящее состояние. Затем в проводящее состояние переходит транзистор УТ₃ корректирующей цепи и шунтирует переход база — эмиттер транзистора УТ₅ низкоомным сопротивлением Я_А. В связи с этим уменьшается степень насыщения транзистора УТ₅ и при последующем его выключении возрастает ток, удаляющий из базовой области избыточный заряд неосновных носителей. Оба фактора способствуют повышению быстродействия логического элемента и улучшению формы передаточной характеристики, так как уменьшают ширину области входного напряжения при переключениях логического элемента.