Логические элементы на биполярных структурах.

Лекция № 18

Важнейшим видом знакового моделирования является математическое моделирование, при котором исследование объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики с использованием тех или иных математических методов.

Такое моделирование носит теоретический характер.

Идеальное моделирование основано на аналогии идеальной, т.е. мысленной.

Основными разновидностями материального моделирования являются физическое и аналоговое моделирование.

Физическимпринято называть моделирование, при котором реальному объекту противопоставляется его увеличенная или уменьшенная копия, допускающая исследование с помощью перенесения свойств изучаемых процессов и явлений с моделей на объект на основе теории подбора.

Аналоговое моделирование основано на аналогии процессов и явлений, имеющих различную физическую природу, но одинаково описываемых формально (одними и теми же математическими уравнениями, логическими схемами и т.п.)

Отметим, что оба типа материального моделирования по своей природе являются эксизэиментальными методами.

Различают два типа идеального моделирования: интуитивное и знаковое.

Под интуитивным методом понимают моделирование, основанное на интуитивном представлении об объекте исследования, не поддающимся формализации или не нуждающимся в нем.

Например: Наш с вами (у каждого свой) жизненный опыт считаться интуитивной моделью окружающего мира.

Знаковымназывается моделирование, использующее в качестве моделей знаковые преобразования какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, формулы, набор символов и т.д.

 

 

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) удачно совмещает хорошее быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочную способность с умеренным потреблением энергии и не­высокой стоимостью.

Особенность ТТЛ логики состоит к том, что в ней используется многоэмиттерный п-р-п транзистор, который имеет от 2 до 8 эмиттepoв и общие области базы и эмиттера.

 

 

 

Схема простейшего элемента ТТЛ

 

Электрическая схема простейшего (малосигнального) ЛЭ ТТЛ состоит из входного двухэмиттерного транзистора VT1, в цепь базы которого включен резистор R1, и выходного инвертора на транзисторе VТ2, и резисторе R2. Многоэмиттерный транзистор выполняет логическую операцию И. Простейшие элементы ТТЛ широко пользуются и БИС и как составная часть более сложных логических схем.

Пусть на одни вход ЛЭ подается напряжение логическо­го нуля U _uxl = U°, а на второй вход - высокое напряжение U _к2 = U¹. Первый переход эмиттер-база транзистора VT1 будет смещен в прямом направлении. Второй змиттерпый переход, нa который подается напряжение высокого уровня U_цх2 > U¹, смещен в обратном на правлении, ток его близок к пулю. Потенциал базы транзистора VT1 составляет

U = U +U*,

Где U = 0,8 В - прямое падение напряжения на эмиттерном .переходе при Т- 300 К. Напряжение U_fl приложено в прямом направлении к последовательно включенным переходам база- коллектор транзистора VТl и база- эмиттер транзистора VТ2 Однако этого потенциала недостаточно для отпирания этих переходов ( Uб< 2U* ), поэтому Ik1=Iб2=О. Транзистор VT2 закрыт Ток протекает от источника питании через резистор Rl, переxoд база -эмиттер транзистора VТl и источник напряжения U °. Он является входным током ЛЭ. Транзистор VТ2 закрыт, а через резистор R2 протекает небольшой ток нагрузки, поэтому на выходе ЛЭ устанавливается напряжение высокого уровня - U'. Подобное же состояний устанавливается и схеме ЛЭ, если на нее входы подается напряжение низкого уровня U°.

При подаче на все входы ЛЭ напряжения высокого уровня эмиттерные переходы транзистора VТl смещены в обратном направлении. Транзистор VТ1-находится к инверсном режиме.

Основной ток протекает от источника питания через резистор R1, переходы база - коллектор транзистора VTIи база -эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT2открыт и находится в режиме насыщения.

 

Таблица истинности двухвходового ЛЭ ТТЛ имеет вид, соответствующий логической функции 2И НЕ. Описанный ЛЭ может работать при напряжении источника питания U = 3...5 В и имеет логические уровни U⁰ < 0,5 В, U '> 2 В. Нагрузочная способность простейшего ЛЭ ТТЛ ограничена, хотя при малых значениях емкости нагрузки (в структурах СИС, БИС) задержка распространения может составлять единицы наносекунд.

Базовые логические элементы, которые используются в качестве отдельных микросхем или как выходные каскады БИС, для повышения помехоустойчивости, нагрузочной способности и обеспечения высокого быстродействия имеют более сложную электрическую схему, которая представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема элемента ТТЛ со сложным инвертором.

 

 

Схема содержит на входе многоэмиттерный транзистор Т1, который выполняет логическую функцию И, фазоразделяющий каскад на транзисторе VT2 и резисторах R 2, RЗ, Входной каскад на транзисторах VT3 и VT4, диоде VD3, резисторе R 4.

При подаче на вход сигнала низкого уровня U_BK = U° транзистор VT2 будет закрыт. Ток эмиттера транзистора VT2, который делится между резистором R3 и базой транзистора VT4, равняется нулю, поэтому транзистор VT4 будет закрыт. Уровень напряжения на коллекторе VT2 (U_k2= Vи.п.) достаточный для отпирания транзистора VT3. В цепи базы VT3 протекает ток от источник питания через резистор R2. Транзистор VT3 открыт.

На выходе ЛЭ напряжение

При подаче на все входы ЛЭ напряжения высокого уровня многоэмиттерный транзистор VT1 будет находиться в инверсном активном режиме, в базу VT2 потечет ток, VT2 отопрется, потенциал коллектора VT2 уменьшается и транзистор VT3 закроется. Часть эмиттерного тока VT2 поступает в базу транзистора VT4, этот транзистор отпирается и входит в режим насыщения. Выходное напряжение имеет низкий уровень.

Потенциал базы транзистора VT l определяется суммой падения напряжения натрех открытых переходах: коллекторном VT l , эмиттерном VT2, эмиттерном VT З. Поэтому для отпирания VT2 это напряжение должно быть U_B] > 3U = 2,4 В. Процесс переключения транзисторов VT3 и VT4 начинается одновременно, поэтому некоторое время оба транзистора открыты и через них протекает импульс сквозного тока, величину которого ограничивает резистор R4 (50...150 Ом). Этот же резистор защищает схему от случайного короткого замыкания выхода ЛЭ на общую шину. Резко уменьшение напряжения U_вых в сочетании с импульсом сквозного тока возбуждает цикл затухающих колебаний в паразитных индуктивностях и емкостях схемы и соединительных проводников Эти импульсы могут вызывать ложное срабатывание подключен­ных к выходу логических элементов. Для предотвращения этого, ко входам ЛЭ ТТЛ подключены демпфирующие «антизвонные »диоды VD1 и VD2. В нормальном состоянии диоды VD1 и VD2 за­крыты, но с появлением отрицательного полупериода затухающих колебаний открываются и ограничивают эти импульсы на уровне – U*, тем самым предотвращают дальнейшие колебания.

Логические уровни ЛЭ ТТЛ-типа: U1 = 2,4 В; U⁰ = 0,4В; максимально допустимая емкость нагрузки Сн = 200 пФ.

ТТЛ с структурами Шоттки (ТТЛШ).

Как отмечалось ранее, значительную часть длительности переходного процесса при запирании биполярного транзистора составляет процесс рассасывания заряда неосновных носителей. Для предотвращения этого между базой и коллектором биполярного транзистора включается диод

 

Шоттки (переход металл – полупроводник). В процессе отпирания транзистора потенциал коллектора снижается и становится отрицательным относительно потенциала базы. Когда разность потенциалов базы и коллектора достигнет Uдш ( где Uдш- прямое падение напряжения на диоде Шоттки). Отпирается диод Шоттки и напряжение между базой и коллектором фиксируется на уровне Uдш.. Величина Uдш. равняется 0,3…0,45В. Поэтому коллекторный переход остается практически запертым. Если коллекторный переход при отпирании транзистора не переходит в открытое состояние, накопление инжектированных неосновных носителей в области коллектора не происходит и продолжительность процесса рассасывания сокращается. Электрическая схема логического элемента транзисторно-транзисторной логики Шоттки (ТТЛШ) представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2. Схема базового элемента ТТЛШ.

Все транзисторы этой схемы, кроме транзистора VT5, имеют структуру с переходом Шоттки. Транзистор VT5 имеет обычную структуру ,так как он не переходит в режим насыщения.

Благодаря резкому сокращению времени рассасывания заряда неосновных носителей , быстродействие ЛЭ ТТЛШ в несколько раз выше, чем в ЛЭ ТТЛ.

Для улучшения параметров в современных ЛЭ ТТЛШ вместо МЭТ для реализации логической функции применяют входные каскады.