Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ДТЛ) И ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ТТЛ) ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

Цель работы: изучение принципов работы ДТЛ и ТТЛ схем, приобретение навыков аналитического расчета и экспериментального исследования их статических характеристик.

Теоретические сведения

Введение

Первые схемы диодно-транзисторной логики выпускались за несколько лет до изобретения интегральных схем. Затем с конца 50-х - начала 60-х годов их вместе с другими типами логики стали изготавливать в интегральном исполнении.

Диодно-транзисторные и транзисторно-транзисторные логические схемы являются функциональными и электрическими аналогами, которые различаются в основном конструкцией входного узла. В ДТЛ схеме входная функция “И” реализована с помощью диодов (рис.4.1а,б,в).

С учетом особенностей интегральной технологии в первой половине 60-х годов была предложена разновидность транзисторных схем, в которых на входе группу диодов заменил многоэмиттерный транзистор ТТЛ-схемы (рис.4.1,г,е). Это позволило существенно повысить быстродействие схемы. Использование одного источника питания (а в некоторых ДТЛ схемах применяются 3 источника), достаточно высокое быстродействие, высокая помехо

защищенность, устойчивость к технологическому разбросу сделали ТТЛ ИС самыми популярными и распространенными микроэлектронными изделиями 60-х - 70-х годов.

К настоящему времени ТТЛ ИМС и их разновидности с диодами Шоттки (ТТЛШ) являются компонентной базой биполярных ИС малой и средней степени интеграции. В самых распространенных маломощных вентилях ТТЛШ входная логическая функция “И” реализуется на диодах Шоттки, поэтому их можно было бы именовать ДТЛШ (рис.1,д) [1, 2].

Работа базовых элементов

Все приведенные на рис.4.1 логические схемы реализуют функцию И-НЕ, в частности, для входов А и В на выходе имеем .

Рассмотрим подробнее назначение и режимы работы элементов ДТЛ- схемы (рис.4.1,а). Если на оба входа А и В подано напряжение, соответствующее логическому нулю, диоды D1 и D2 будут открыты. От источника питания U_ИП1 через резисторы R1, R2 и диоды D1, D2 протекает ток. В состоянии логического нуля на входе входной ток вытекает из схемы, а потенциал общего узла анодов диодов можно легко найти, зная ,

,

где U_диода - падение напряжения на открытом диоде.

При этом, если на входах потенциалы различаются, то U_y определяется более низким значением U_вх. Величина недостаточна для отпирания последовательной цепочки эмиттерный переход транзистора T1 - диод D3 - эмиттерный переход транзистора T2. Поэтому выходной транзистор T2 закрыт, (точнее говоря, T2 работает в нормальном активном режиме (НАР) с током эмиттера равном нулю). Через резистор R4 ток не протекает, поэтому потенциал на выходе U_вых = U_ИП2. Это состояние соответствует логической единице,

. (4.1)

Если хотя бы на одном из входов (предположим, на входе В) повысить напряжение до величины , то диод D2 закроется, поскольку

.

Когда на все входы одновременно подано напряжение логической единицы , диоды D1 и D2 запираются, потому что теперь потенциал U_y ограничен сверху величиной, равной суммарному падению напряжения на прямо-смещенных эмиттерных переходах транзисторов T1 и T2 и диоде D3. Это значение . Транзистор T1 благодаря способу включения резистора R2 (рис.4.1,а) работает в нормальном активном режиме (НАР) и обеспечивает усиление тока в базовой цепи транзистора T2, в результате чего последний входит в режим насыщения. Напряжение на выходе

.

Это состояние соответствует логическому нулю

. (4.2)

Резистор R4 ограничивает ток коллектора транзистора T2, предохраняя его от “сгорания”, и позволяет повысить быстродействие при выключении T2. Резистор R3 необходим для ускорения выключения транзистора T2 при изменении напряжения на входе с .

Использование в данной схеме двух источников питания не обязательно. Однако, увеличение U_ИП1 и уменьшение U_ИП2 способствует повышению нагрузочной способности схемы. При этом минимальное допустимое значение U_ИП1 и U_ИП2 примерно равно падению напряжения на трех прямо смещенных р-n-переходах.

Сходный принцип работы характерен и для других схем данного класса (см. рис.4.1). Введение сложных выходных каскадов (рис.4.1в,г,д) позволяет существенно увеличить нагрузочную способность. Ряд других усовершенствований касается методов повышения быстродействия, снижения рассеиваемой мощности и т.д. Чтобы представить некоторые особенности, связанные с переходом от ДТЛ к ТТЛ-схемам, рассмотрим подробнее назначение и режимы работы элементов TТЛ-схемы со сложным выходным каскадом (рис.4.1,г).

Если на все входы (эмиттеры транзистора T1) одновременно или хотя бы на один из них подано напряжение , то T1 работает в режиме насыщения с током коллектора, равным нулю (ток не может втекать в базy транзистора T2). Потенциал коллектора T1

,

который не превышает граничного напряжения U_БЭгр2, и поэтому не дает возможности открыться транзистору T2. Следовательно, ток через T2 практически не протекает, и он работает в нормальном активном режиме с током эмиттера I_Э2 = 0. Поскольку падение напряжения на резисторе R3 также равно нулю, транзистор T4 закрыт, a через резистор R2 протекает только ток базы T3, создавая незначительное падение напряжения на R2, которым во многих случаях можно пренебречь. Транзистор T3 работает в НАР, диод D также открыт. Это состояние соответствует логической единице на выходе схемы:

.

В том случае, когда на входы одновременно поданы потенциа­лы , эмиттерные переходы транзистора T1 запираются, и он переходит в инверсный активный режим (ИАР). Ток из коллектора T1 втекает в базу транзистора T2, включая последний и вводя его в насыщение. Ток, протекающий через резистор R3, повышает потенциал базы транзистора T4, отпирая его и вводя в режим насыщения. С другой стороны, коллекторный ток транзистора T2 создает большое падение напряжения на R2. За счет этого потенциал базы T3 понижается, и он закрывается. Для того, чтобы надежно запереть транзистор T3 при , последовательно с его эмиттерным переходом включен диод D. Это состояние эквивалентно логическому нулю на выходе схемы

,

где - напряжение коллектор-эмиттер насыщения транзистора без учета падения напряжения на r_К; r_К - сопротивление тела коллектора (в указанном случае транзистора T4); - ток в цепи коллектора T4, который втекает в него (рис.4.1,г). Резистор R4 ограничивает ток в момент переходного процесса, когда открыты оба транзистора Т3 и Т4.

Режимы работы элементов остальных логических схем приведены в таблице 1.

Расчет токов ДТЛ схемы

Рассмотрим схему, изображенную на рис.4.1,а. Если на какой-либо вход подано напряжение , соответствующий диод открыт, и входной ток вытекает из схемы. В этом случае транзистор T1 закрыт.

Предположим, что диоды D1 и D2 одинаковы и открыты. Тогда по входам А и В протекают равные токи

,

а суммарный ток, протекающий через резисторы R1 и R2, равен

. (4.3)

Таблица 4.1