ТТЛ со сложным инвертором

В схеме ТТЛ со сложным инвертором (рис. 8.18) роль конъюнктора выполняет подсхема: резистор R_x и переходы база-эмиттер транзистора Т_х. Схемой сопряжения является переход база-коллектор транзистора Т_х. Все остальное — сложный инвертор (Я₂, Я₃, R_A> D, Т₂, Г₃, Т_л).

Пара транзисторов Т₂-Т₃ по сути является одним составным транзистором с удвоенным напряжением отпирания. Составным его можно считать потому, что в обоих режимах схемы оба транзистора в любой момент времени находятся в одинаковых состояниях: если один закрыт, то и другой закрыт, и если один насыщен, то и другой насыщен. Кроме того, переход база-эмиттер транзистора Т₂ выполняет функцию второго диода схемы сопряжения, что увеличивает запас помехоустойчивости до уровня стандартной ДТЛ.

А вот пара транзисторов Т₃-Т₄ является парой антагонистов: если один открыт, другой обязательно закрыт. Использование транзистора Т₄ уменьшает выходное сопротивление схемы в режиме логической единицы на выходе, что приводит к улучшению быстродействия в сравнении с ТТЛ с простым инвертором.

Как правило, входов у схем ТТЛ не больше 8, поскольку паразитные емкости параллельно включенных переходов база-эмиттер транзистора Т_х складываются, и суммарная емкость, подключенная к базе многоэмиттерного транзистора, сильно влияет на время его переключения, снижая быстродействие схемы. Чем больше входов, тем медленнее работает транзистор Т_х. Рассмотрим работу схемы ТТЛ со сложным инвертором на два входа (табл. 8.3).

Рис. 8.18. ТТЛ со сложным инвертором.

Таблица 8.3.

Работа ТТЛ со сложным инвертором

Схема ТТЛ работает на положительной логике: логический ноль соответствует низкому потенциалу (потенциалу шины «земля», то есть О В), логическая единица — высокому потенциалу (напряжению питания).

Первая строка. Напряжения на входах, А и В соответствуют напряжению логического нуля, самого низкого потенциала в схеме. Потенциал точки С определяется напряжением источника питания. Мы должны подобрать напряжение питания таким образом, чтобы переходы база-эмиттер были открыты, и ток через открытые переходы от цепи питания и резистор Я, «уходил» в управляющую схему. Транзистор Т₂ закрыт, в нем текут токи утечки, падение напряжения на резисторе Я₃ практически О В, и это напряжение подается на базу транзистора Т₃. На переходе база-эмиттер транзистора Т₃ нулевое смещение, транзистор Т₃ закрыт. Ток утечки дает на резисторе R₂ маленькое падение напряжения, поэтому на базе транзистора Т₄ оно практически равно Е> транзистор Т_л открыт. На выходе — напряжение логической единицы U¹:

Вторая строка. На вход А подается напряжение логического нуля, а на вход В — напряжение логической единицы. Первый переход база-эмиттер, открыт, второй переход база-эмиттер₂ закрыт. В параллельной цепочке если хотя бы один переход открыт, то вся цепочка тоже открыта. Режим работы компонентов сложного инвертора аналогичен предыдущему. На выходе — напряжение логической единицы U¹.

Третья строка. Она аналогична предыдущей, только переходы как бы меняются местами. На входА подается напряжение логической единицы, переход база-эмиттер, закрыт, зато открыт переход база-эмиттер₂, так как на вход В подано напряжение логического нуля.

Параллельная цепочка переходов база-эмиттер открыта. Режим работы компонентов сложного инвертора аналогичен предыдущему. На выходе — напряжение логической единицы U¹.

Четвертая строка. На оба входа подается напряжение логической единицы. Запираются все переходы база-эмиттер. Ток от цепи питания через резистор R_x и открытый переход база-коллектор транзистора Т_х поступает в базу транзистора Т₂. Транзистор Т₂ должен быть введен в насыщение. Тогда в цепочке R₂-T₂-R₃ потечет большой ток коллектора насыщения. Из-за падения напряжения на резисторе R₃ на базе транзистора Т₃ по отношению к его эмиттеру увеличится напряжение, и оно должно быть таким, чтобы ввести транзистор Т₃ в насыщение. Из-за большого тока, идущего через резистор R_2> падает потенциал на базе транзистора Т₄, в результате чего он закрывается. Надежное запирание обеспечивает диод D, включенный в цепь его эмиттера. Потенциал на выходе определяется напряжением коллектор-эмиттер насыщенного транзистора Т₃-?/_кэн3 (примерно 0,1−0,2 В), то есть на выходе получаем напряжение логического нуля ?7°.

Из таблицы 8.3 и анализа режимов работы четко видны пары транзисторов: Т₂—Т₃ и Т₃-Т₄.

Пара Т₂—Т₃ всегда работает в одинаковых режимах. С точки зрения схемотехники, это один транзистор, у которого напряжение база-эмиттер удвоено. В результате устраняется недостаток ТТЛ с простым инвертором, а именно невысокий запас помехоустойчивости.

Транзисторы Т₃ и Т₄ всегда находятся в противоположных состояниях. Транзистор Т₄ был введен в схему для уменьшения выходного сопротивления схемы, что приводит к увеличению ее выходного тока и, как следствие, к увеличению нагрузочной способности.

Поскольку в закрытом режиме схемы выходное сопротивление определяет не резистор, а открытый транзистор Т₄, емкости нагрузочных схем перезаряжаются не через килоомное сопротивление резистора, а через омные сопротивления транзистора. Следовательно, вводя транзистор Т₄, мы повышаем быстродействие схемы в сравнении с ТТЛ с простым инвертором.

Оценим достоинства и недостатки этого вентиля в сравнении с ТТЛ с простым инвертором. К достоинствам можно отнести:

• • уменьшение задержки вентиля И-НЕ за счет уменьшения выходного сопротивления (это теперь не килоомный резистор, а сопротивление открытого транзистора Т₄);
• • достаточно хороший запас помехоустойчивости (как у ДТЛ) за счет составного транзистора Т₂-Т₃
• • большую нагрузочную способность (достаточную для СБИС) за счет увеличения выходного тока.

К недостаткам относятся:

• • большое количество резисторов;
• • большая площадь, занимаемая вентилем на кристалле, снижающая информационную плотность СБИС на этих элементах;
• • неидеальная передаточная характеристика, что критично для работы в цепях с помехами.

Рассмотрим передаточную характеристику схемы ТТЛ. Подключим к одному из входов ТТЛ со сложным инвертором источник меняющегося напряжения ?/_вх, а на остальные (т — 1) входов дадим напряжение логической единицы, закрыв тем самым остальные переходы база-эмиттер транзистора Тj (рис. 8.19).

Рис. 8.19. Схема для определения передаточной характеристики ТТЛ со сложным.

инвертором Увеличивая напряжение ?/_вх, определим напряжение на выходе. Передаточная характеристика выглядит, как показано на рисунке 8.20, а.

На передаточной характеристике: А — рабочая точка, когда на входе напряжение логического нуля, В — рабочая точка, когда на входе напряжение логической единицы. Напряжение логической единицы — это не только уровень (У¹, но и любое значение ?/_вых на участке [2−2]. Этот участок передаточной характеристики между точками 1 и 2 является существенным недостатком схем ТТЛ. Выпрямление этого участка — одна из основных задач, которые необходимо решить при оптимизации этой схемы.

На рисунке 8.20 показано, что если на вход нагрузочной схемы ТТЛ₂ поступит напряжение логической единицы с участка [1−2] передаточной характеристики, то рабочая точка В для этой схемы «съедет» влево, и запас помехоустойчивости по отрицательной помехе нагрузоч;

Рис. 8.20. Анализ запаса помехоустойчивости по отрицательной помехе ТТЛ со сложным инвертором: а) передаточная характеристика, б) схема включения.

ной схемы уменьшится, что является существенным недостатком этого класса схем.