Таким образом, рассмотренный элемент ттл выполняет логическую операцию "и-не" ( ).

Для ограничения тока через открытый транзистор VT3 при случайном коротком замыкании выхода элемента включен резистор R4.

В состав некоторых серий цифровых ИС ТТЛ входят логические элементы без коллекторной нагрузки выходного транзистора VT4 - элементы с "открытым" коллектором. Они предназначены для работы с внешней нагрузкой в виде индикаторных приборов, светодиодов и т.д.

Если какие либо из входов многоэмиттерного транзистора никуда не подключены, то это воспринимается элементом как подача на эти входы 1, так как тока в цепи неподключенного эмиттера нет. Поэтому, например, элементы "И-НЕ" ("ИЛИ-НЕ") можно использовать как простые инверторы, подавая инвертируемый сигнал на один из входов "И-НЕ" или же соединяя все входы вместе. В схеме "И-НЕ" сигнал можно подавать только на один из входов, оставляя остальные неподключенными (рис.2-7).

Рис.2-7 Использование элементов "и-не’,’или-не’ как инверторов

Вход ИС транзистор-транзисторной логики(ТТЛ) реализуется с помощью многоэмиттерного транзистора.

Рис.2-8 Многоэмиттерный транзистор

При подаче хотя бы на один из эмиттеров уровня "0", ток из выходной цепи Rн переключается во входную цепь и на выходе устанавливается "0". Если на все входы подать уровень "1", тогда во входной цепи тока не будет, он пойдет через Rн и на выходе будет "1". Данная схема выполняет операцию "и". Если на входы ничего не подавать, то тока во входной цепи также не будет и на выходе появится "висячая 1". При соединении многоэмиттерного транзистора и сложного инвертора образуется элемент "И-НЕ".

Пути повышения быстродействия ТТЛ схем

1) Нелинейная обратная связь (НОС)

Рис.2-9 НОС с помощью диода

При подаче на вход напряжения единичного уровня транзистор открывается и напряжение на выходе начинает падать. В какой-то момент потенциал φа < φb, следовательно VD открывается и дальнейшего насыщения не происходит. Поэтому при подаче Uвх=0 транзистор закрывается значительно быстрее.

2) Применение диодов и транзисторов Шоттки.

ДШ – диод {модуль1 глава 1.3} Шоттки (диод на горячих носителях).

Рис.2-10 Условное обозначение и характеристика диода Шоттки

В них выпрямительный контакт расположен на границе между металлом и полу­проводником, а носители зарядов и в полупроводниках, и в металле – электроны. Неосновных носителей нет. Соединение ДШ + транзистор образуют транзистор Шоттки (555 серия).

2.2.2 Технология КМОП

В качестве инверторов можно использовать МОП транзисторы, но р- и n-канальные цифровые элементы оказались непрактичными как базовые для массовых микросхем прежде всего из-за низкого быстродействия. Действительно, при Rс=100кОм и емкости нагрузки Сн=30 пФ время отключения составит t = 2,2RcCн= 6,6 мкс, что соответствует максимальной частоте входных импульсов 150 кГц.

Увеличить быстродействие на порядок позволяет последовательное (столбиком) соединение р и n-канальных МОП-транзисторов. Тогда резистор Rc в схеме не нужен, а заряд и разряд паразитных нагрузочных емкостей будет происходить через относительно небольшие сопротивления р- и n-каналов.

С помощью металлизации поверхности кристалла элементы структуры соединяются в схему инвертора DD1 (рис.2-11). К затворам присоединен защитный стабилитрон VD1, без него вход инвертора будет пробит статическим электричеством.

Цифровые микросхемы должны быть крайне устойчивы к таким явлениям, как пробои от статического или наведенного от силовых сетей электричества. Прежде всего защита гарантируется их структурой. На рис. 2-11 показана полная эквивалентная схема инвертора КМОП. Стоковое напряжение (плюс источника питания) подключается на n-подложку.

Рис.2-11 Упрощенная и полная схемы инвертора на КМОП транзисторах

Конденсатор С символизирует входную емкость инвертора. Как правило, она составляет от 5 до 15 пф. Диоды VD1 – VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диод VD1 имеет пробивное напряжение 25 В, VD2 и VDЗ-50 В. Последовательный резистор R=200 Ом... 2 кОм не позволяет скачку тока короткого замыкания передаваться в незаряженную входную емкость С. Тем самым защищается выход предыдущего (управляющего) инвертора от импульсной перегрузки. Диоды VD4-VD5 защищают выход инвертора от пробоя между n+ и p+ областями. Диод VD6 защищает канал от ошибочной перемены полярности питания.

2.2.3 ЭСЛ технология

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) имеют наибольшее быстродействие, достигшее в настоящее время субнаносекундного диапазона. Особенность ЭСЛ в том, что схема логического элемента строится на основе интегрального дифференциального усилителя (ДУ), транзисторы которого могут переключать ток и при этом никогда не попадают в режим насыщения. Поэтому такие схемы самые быстродействующие.

Рис.2-12 Схема элемента ЭСЛ

На рис.2-12а показана основа логического элемента DD1 - переключатель тока I0. Если входным сигналом Uвх открыть транзистор VТ1, через него потечет весь ток I0, вытекающий из общей точки связанных эмиттеров Э. На коллекторе транзистора VТ1 окажется напряжение низкого уровня. В этот момент транзистор VТ2 тока не имеет, он вынужденно находится в состоянии отсечки. На его коллекторе присутствует напряжение высокого уровня.

Наличие генератора стабильного тока (ГСТ) принципиально, с его помощью строго фиксируются выходные логические уровни.

В отличие от аналоговых применений дифференциального усилителя, когда стремятся использовать разность напряжений Uвых между коллекторами, цифровая микросхема, переключающая ток I0, снабжается двумя инверсными выходами логических уровней, где выделяются напряжения высокого и низкого уровней.

На рис. 2-12б показан простейший одновходовый элемент ЭСЛ. Новым в развитии элемента DD1 (рис. 2-12а) здесь является источник опорного напряжения Uоп. Это напряжение фиксирует порог срабатывания переключателя тока. Тем самым дифференциальный усилитель превращается в логический элемент. У него теперь два состояния выходов, которые переключаются лишь при условиях: Uвх>Uоп или Uвх<Uоп. Однако при проектировании ЭСЛ ставилась задача: получить сверхскоростную логику. В схеме (рис.2-12б) этого достичь нельзя, так как выходное сопротивление выходов Q и Q велико, оно приближается к величине Rн. Для снижения выходного сопротивления к коллекторным выходам подключаются эмиттерные повторители, работающие в линейном режиме. Теперь выходное сопротивление эмиттерного выхода значительно уменьшается:

Rвых=Rk/(B+1), где (В+1) - коэффициент усиления по току транзистора-эмиттерного повторителя. Эмиттерные выходы чаще делаются "открытыми", чтобы можно было их соединять в элементы "монтажное ИЛИ". Сопротивление внешнего нагрузочного резистора Rэн можно выбрать от 300 Ом до 30 кОм.

Принципиальная особенность микросхем ЭСЛ: они питаются отрицательным напряжением -Uи.п.э (то есть напряжение подается от эмиттеров), а коллекторные цепи заземляются. Этим способом повышается помехоустойчивость ЭСЛ. Ток потребления Iпот вытекает из микросхемы в источник.