Транзисторно-транзисторные схемы

В интегральной схемотехнике логические элементы выполняются на транзисторах, что значительно упрощает технологию изготовления. Чаще всего в качестве входного элемента используется многоэмиттерный транзистор. Схема базисного элемента транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) приведена на рисунке 5.11а.

а б

а – базовый элемент; б – экономичный базовый элемент

Рисунок 5.11 – Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

В ТТЛ-элементах многоэмиттерный транзистор реализует функцию "И", а транзистор VT2-функцию "НЕ". Если на все входы подана "1", то есть высокий потенциал, то эмиттерные переходы транзистора VT1 заперты. Переход база-коллектор VT1 находится по прямым напряжения и открыт. По цепи U_n+;R1; база VT1; коллектор VT1; база VT2; эмиттер VT2; U_n – протекает ток I_бн, который обеспечивает состояние насыщения транзистора VT2. Выходное напряжение при этом равно "0". При подаче низкого потенциала хотя бы на один из входов соответствующий переход эмиттер-база открывается и через VT1 начинает протекать ток I_э, который много больше I_бн. I_э создает на R1 падение напряжения, почти равное U_n. Потенциал точки "а" приближается к потенциалу общей шины. В результате Uбэ VT2 стремится к нулю; Iб VT2 прекращается и VT2 переходит в режим отсечки. Напряжение на выходе VT2 стремится к Un, т.е. на выходе VT2 появляется "1". Однако схема рисунка 5.11а неэкономична. Для повышения экономичности используют сложный инвертор (рисунок 5.11б). Каскад на транзисторе VT2 является предварительным и управляет работой транзисторов VT3, VT4. При "1" на всех входах VT2 насыщен и протекает ток I_к2н в несколько раз меньше, чем на выходе схемы рисунок 5.11а. Ток эмиттера VT2 создает на R4 падение напряжения достаточное, чтобы VT4 был насыщен. Следовательно, на выходе схемы устанавливается напряжение, близкое к нулю, т. е. на выходе "0". При этом VT3 заперт, потому что потенциал точки "е" выше или равен потенциалу точки "в". Такое состояние схемы осуществляется за счет включения диода смещения (VD5); падение напряжения на диоде равно приблизительно 0.5В. Отсутствие собственного потребления тока в выходной цепи (за счет закрытого VT3) сложного инвертора делает его экономичным при "0" на выходе.

При наличии "0" на одном из входов VT2 закрыт. Падение напряжения на R4 равно нулю; транзистор VT4 закрыт. Транзистор VT3 открыт возросшим до U_n потенциалом точки "в". Ток через VT3, если не присоединена нагрузка, практически не протекает, так как VT4 закрыт. Это обеспечивает экономичность схемы в режиме холостого хода при "1" на выходе. Ток при подключении нагрузки определяется соотношением

. (5.6)

Диоды VD1 и VD2 включены для защиты входных цепей и повышения помехоустойчивости. При положительных входных сигналах они заперты и не влияют на работу схемы. Открываются они при отрицательной полярности входных напряжений, что наблюдается при переходных процессах, когда при переключении схемы возникают затухающие колебания из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей. При первой отрицательной полуволне напряжения диод открывается, и напряжение на входе не превышает падения напряжения на диоде. Мощность паразитного колебания гасится, и следующая положительная полуволна колебания уже меньше уровня логической единицы, поэтому ложного срабатывания логического элемента не происходит.

Наряду с рассмотренным вариантом на два входа, выпускаются микросхемы, в которых VT1 имеет 3,4 и 8 эмиттеров, такие элементы реализуют функцию "3И-НЕ", "4И-НЕ" и "8И-НЕ". Если в базовый элемент добавить соединения, показанные пунктиром, то получается система с тремя устойчивыми состояниями: "0", "1" и высокоимпедансное. Если из схемы рисунка 5.11б убрать VT3, то получается схема с открытым коллектором, позволяющая объединять выходы элементов (монтажное "ИЛИ").

ТТЛ-элементы нашли широкое применение в практике. Промышленностью освоен ряд серий микросхем с ТТЛ, например: К133, К134, К155 и другие. В качестве базового элемента серии микросхем могут использоваться и другие элементы, например "ИЛИ-НЕ".