ТТЛ со сложным выходным каскадом.

Из рассмотрения выходного каскада следует две посылки. Для увеличения нагрузочной способности по единице (I¹_н) и быстродействия (см. формирователь логического сигнала первого типа) необходимо уменьшить Rк, а для увеличения нагрузочной способности по нулю (I⁰_н) – Rк необходимо увеличить (формирователь логического сигнала второго типа). Такое противоречие может устранить сложный выходной каскад.

Схему ТТЛ со сложным выходным каскадом (рис.3.16) можно разделить на следующие части:

1. Входной каскад построен на МЭТ VT1, реализующем функцию И.

2. На транзисторе VT2 построен фазоинвертор, обеспечивающий открытое состояние только одного из транзисторов VT3 и VT4 в установившемся режиме.

3. Выходной каскад построен на транзисторах VT3 и VT4. В статическом режиме один из транзисторов закрыт, а другой открыт. Этим обеспечивается низкое выходное сопротивление как при «0», так и при «1» на выходе, что позволяет быстро перезаряжать емкость нагрузки. Оба транзистора находятся в открытом состоянии только в момент переключения. В этот момент схема потребляемый ток намного больше, чем в установившемся режиме.

4. Диод VD1 служит для обеспечения закрывания VT3 при U⁰_вых.

Проанализируем работу элемента ТТЛ.

Если U_вх= 0 (рис 3.16, а), то переход б-э VT1 будет открыт. Весь ток от Е_П через R1 потечет через эмиттер на вход элемента. Потенциал U_бVT1 будет равен 0.8В (U_бэнVT1 = 0,8 В). Этого недостаточно для того, чтобы открыть три р-n перехода (б-к VТ1, б-э VТ2, б-э VТ4).

Для того, чтобы открыть эти переходы необходим потенциал, больше 2,2 В (0.6В+ 0,8В+ 0,8 В), поэтому транзисторы VТ2 и VТ4 будут закрыты. При этом на коллекторе VТ2 будет потенциал, близкий к напряжению источника питания (+5В). Его будет достаточно для того, чтобы открыть VТ3 и VD1. Таким образом, в выходном каскаде VТ4 будет закрыт, а VТ3 открыт.

При отсутствии нагрузки, транзистор VТ3 не будет насыщаться. На выходе схемы при этом будет напряжение, равное примерно 3,5В (Е_П-U_бэнVT4-U_VD1 =5В-0.8В-0.7В=3.5В).

До значения тока нагрузки I¹_н примерно 5 мА VТ3 будет находиться в активном режиме, так как при этом U_бVT3<U_кVT3, что обеспечивает его быстрое включение и выключение.

При увеличении U_вх потенциал базы VТ1 начнет возрастать (U_бVT1=U_вх+U_бэнVT1), а также повысятся потенциалы баз транзисторов VТ2, VТ3.

При увеличении U_вх до значения, примерно равного 1,2В потенциал базы VТ1 достигнет 2В (U_бVT1 =l.2В+0.8В=2.0В), и транзистор VТ2 начнет открываться. Через VТ2 потечет ток, который вызывает уменьшение потенциала коллектора VТ2, что ведет к закрыванию VТ3 и одновременно к открыванию VТ4. В результате, потенциал на выходе уменьшается.

При U_вх >1.4В (U_бVT1 =U_вх +0.8В>2.2В) транзисторы VТ2 и VТ4 откроются (рис. 3.16,б). При этом потенциал U_кVT2 принимает значение 1В (U_кVT2=U_кэнVT2+U_бэнVT4 =0.2В+0.8В=1В). Для открывания VТ3 и VD1 необходим потециал U_бэнVT4+U_VD1 =0.8В+0.7В=1.5В, поэтому они будут закрыты. Следовательно, VТ3 будет закрыт, а VТ4 открыт. Транзистор VТ4 насыщен и будет находиться в режиме насыщения до значения тока нагрузки (I⁰_н) примерно 30мА. При I⁰_н =0, напряжение нa выходе будет равно U_кэнVT4 =0.2В.

При дальнейшем увеличении U_вх, весь ток от Е_П через R1 потечет в базу VТ2.

Если U_вх начнет уменьшаться, то переключение транзисторов VТ3 и VТ4 будет происходить не одновременно, так как VТ4 был в режиме насыщения. Транзистор VТ3 откроется быстрее, чем закроется VТ4, а из этого следует, что в течение времени рассасывания VТ4 оба выходных транзистора будут открыты. В выходном каскаде потечет ток, ограниченный только R4.

Рис. 3.16. Работа ТТЛ со СВК: а) при “0” на входе, б) при “1” на входе.

 

Рассмотрим работу СВК на нагрузку первого и второго типа.

При работе СВК на нагрузку первого типа (рис 3.13,а) на выходе должна быть единица. Транзисторы VT2 и VT4 должны быть в отсечке, а транзистор VT3 открыт для обеспечения уровня единицы на выходе.

Для построения графика зависимости U¹_вых = f (I¹_нагр) надо рассчитать активный режим, режим насыщения и границу режимов для транзистора VT3.

При отсутствии нагрузки VT3 находится в активном режиме и работает как эммиттерный повторитель.

 

(3.9)

Угол наклона нагрузочной характеристики в активном режиме будет определяться как:

 

 

Граница режимов определяет, при каком I¹_нагр начинается насыщение(I¹_гр) VT3.

(3.10)

 

Для серии К155 I¹_{н_гр}»5мА

Режим насыщения определяет ток нагрузки, при котором параметры выходного сигнала соответствуют уровню единицы. Уровню единицы минимальному будет соответствовать максимальный ток нагрузки (I¹_{н мах}).

(3.11)

При этом угол наклона нагрузочной характеристики будет определяться как:

 

На рис 3.17 представлен качественный вид нагрузочной характеристики по единице для ТТЛ со сложным выходным каскадом.

 

Рис. 3.17. Качественный вид нагрузочной характеристики.

 

При подключении к выходу СВК нагрузки второго типа, нагружение происходит при U_вых=U⁰ (рис. 3.16,б).

Для обеспечения режима нагружения по нулю необходимо, чтобы выполнялись следующие требования:

1. Транзистор VТ2 должен быть насыщен для надежного запирания VT3.

2. Транзистор VТ4 должен быть насыщен даже при максимальной заданной нагрузке.

Для обеспечения режима насыщения транзистора VT2 необходимо, чтобы:

,

, тогда

 

(3.12)

Если допустить, что числители примерно равны, то будет получена приближенная оценка соотношения R1 и R2:

 

 

Для обеспечения режима насыщения транзистора VT4 необходимо, чтобы:

 

(3.13)

 

При нагружении на аналогичные схемы получим следующее значение максимальной нагрузки:

(3.14)

После упрощений можно получить приближенную оценку параметров элементов схемы:

 

Оценочный итог (3.15)

С ростом b_VT2 расширяется диапазон отношений R1 и R2, что в свою очередь ведет к увеличению нагрузочной способности и к надежному запиранию VТ4

 

Определим помехоустойчивость по нулю (U_вх=U⁰) (рис. 3.16, а).

 

(3.16)

 

Определим помехоустойчивость по единице (U_вх=U¹) (рис. 3.16, б).

 

(3.17)

 

3.5. Стандартные серии ТТЛ

 

Базовым логическим элементом серий является логический элемент И-НЕ (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Базовая схема логического элемента ТТЛ (4И-НЕ).

 

Структура и работа упрощенного варианта схемы этого элемента была рассмотрена в предыдущем разделе. В базовую схему введены включены демпфирующие диоды VD1-VD4, служащие для защиты VT1 при подаче на входы отрицательного напряжения и термостабилизирующая цепочка для стабилизации режима работы VT5 и увеличения помехоустойчивости по нулю на транзисторе VT3. При росте температуры ее сопротивление уменьшается.

Рассмотрим основные характеристики элементов ТТЛ серии К155.

Входная характеристика (рис. 3.19) показывает, что при U_вх = 5.5 В входной ток I¹_вх резко увеличивается, достигая величины 1 мА. Это значение входного напряжения элемента стандартной серии ТТЛ является предельно допустимым. Если U_вх = -0.4В, то значение входного тока также резко увеличивается.

Выходная нагрузочная характеристика элементов ТТЛ стандартной серии приведена на рис. 3.20. При увеличении I¹_н выходное напряжение будет уменьшаться. При I¹_н ≤5мА можно считать, что транзистор VТ4 будет работать в режиме эмиттерного повторителя, и наклон нагрузочной характеристики мал. При дальнейшем увеличении I¹_н падение напряжения на резисторе R5 увеличивается, потенциал коллектора VТ4 становится меньше потенциала базы, и транзистор VТ4 переходит в насыщение. Характеристика изменяет наклон, и далее уменьшение напряжения на выходе будет происходить линейно.

При увеличении I⁰_н напряжение на выходе также будет увеличиваться и может превысить U⁰_{вых.мах} =0.4В, т.е. транзистор VТ5 может выйти из режима насыщения, и напряжение на выходе начнет резко возрастать.

ХВВ приведена на рис. 3.21. U¹_вых =3.5В, U⁰_вых =0.2В, U¹_гр =1.6В, U⁰_гр =1.2В. Так как уровни «1» и «0» одинаковы для входа и выхода элемента, то определим помехоустойчивость схемы.

 

 

 

Рис. 3.19. Входная характеристика элемента ТТЛ.

 

Рис. 3.20. Нагрузочная характеристика элемента ТТЛ.

 

Рис. 3.21. ХВВ элемента ТТЛ.

 

Все модификации элементов ТТЛ выполнены на основе рассмотренного базового элемента.

К основным группам элементов ТТЛ относятся: быстродействующие, микромощные и ТТЛ с диодами Шоттки.

К быстродействующим относятся элементы ТТЛ серий К130 и К131 (аналог – 74Н). От стандартных элементов их отличают сниженные номиналы резисторов и уменьшенные паразитные емкости. В выходном каскаде таких элементов применена схема Дарлингтона (составной транзистор вместо VТ4), позволяющая повысить коэффициент усиления по току и обеспечить поэтому примерно равные значения выходных сопротивлений схемы при включении и выключении (рис. 3.22,а).

Микромощные логические элементы – это элементы серий К134 и К158 (аналог – 74L). В этих элементах отсутствуют демпфирующие диоды, а для снижения потребляемой мощности значительно увеличены номиналы резисторов (рис. 3.22,6).

Рис. 3. 22. Модифицированные элементы ТТЛ: а – быстродействуюший элемент К131, б – микромощный элемент К134.

 

Рассмотренные элементы активно заменяются на элементы ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ) серии К530 и К531(аналог — 74S) (рис. 3.23,а), имеющие во внутренней структуре переходы с барьером Шотки. Повышение быстродействия здесь достигнуто за счет уменьшения степени насыщения транзисторов путем включения между базой и коллектором антинасыщающих диодов Шоттки (рис. 3.27,б). Диод Шоттки имеет пороговое напряжение открывания порядка (0,2...0,3)В в отличие от порогового напряжения обычного кремниевого диода 0,7 В.

Микромощная серия ТТЛШ – это серия К555 (аналог— 74LS) (рис. 3.23, в). В этом элементе вместо многоэмиттерного транзистора на входе использована схема ДТЛ, состоящая из диодов Шоттки. Введение диодов Шотки исключает накопление лишних базовых зарядов, увеличивающих время выключения транзистора, и обеспечивает стабильность времени переключения в диапазоне температур.

Резистор R6 создает необходимое напряжение на базе транзистора VT3 для его открывания. Уменьшения потребляемой мощности, когда логический элемент закрыт (U_вых =1), достигается подключением резистора R6 не к общей шине, а к выходу элемента.

Диод VD7 необходим для уменьшения задержки включения схемы.

Транзистор VT3 реализуется без диодов Шоттки, так как он работает в активном режиме (эмиттерный повторитель).

 

 

Рис. 3. 23. Элементы ТТЛШ: а – быстродействующий элемент К531, б – антинасыщающий диод, в – микромощный элемент К555, г-перспективный элемент КР1531.

 

Существуют более совершенные серии ТТЛШ. Отличие от базовых элементов состоит в изменении схемы входного каскада.

Входной каскад, применяемый в элементах серии К531, имеет высокое значение I¹_вх. Входной каскад серии К555 имеет большую входную емкость и сниженное пороговое напряжение включения.

Логические элементы ТТЛШ серии КР1531 (аналог — 74F) имеют во входном каскаде дополнительный усилитель тока на транзисторе VT1 (рис. 3.23,г). Это снижает I⁰_вх ток и увеличивает пороговое входное напряжение до 1.5В.

В табл. 3.1. приведена сравнительная характеристика основных параметров микросхем ТТЛ.

 

Серия ТТЛ	Параметры	Нагрузка
отечественная	зарубежная	tзд.р., нс	Pпот, мВт	Э, пДж	Сн, пФ	Rн, кОм	нагр. спос.
К134	SN74L
К155	SN74					0.4
К531	SN74S					0.28
К555	SN74LS
КР1531	SN74F					0.28
КР1533	SN74ALS