Базовым логическим элементом серий является логический элемент И-НЕ. На рис. 54 приведены схемы трех первоначальных элементов И-НЕ ТТЛ.
Все схемы содержат три основных каскада: входной на транзисторе VT1,реализующий логическую функцию И; фазоразделительный на транзисторе VT2;двухтактный выходной каскад, выполненный по схеме: составного эмиттерного повторителя VT3, VT4 и насыщаемого транзистора VT5 (рис. 54, а)или повторителя не составного (только транзистор VT3)и насыщаемого транзистора VT5 с введением диода сдвига уровня VD4 (рис. 54, б, в). Два последних каскада образуют сложный инвертор, реализующий логическую операцию НЕ. Если ввести два фазоразделительных каскада, то реализуется функция ИЛИ-НЕ. На рис. 54, а показан базовый логический элемент серии К131 (зарубежный аналог – 74Н). Базовый элемент серии К155 (зарубежный аналог – 74) показан на рис. 54, б, а на рис. 54, в – элемент серии К134 (зарубежный аналог – 74L). Сейчас эти серии практически не развиваются.
Рис. 54.Принципиальные схемы первоначальных логических элементов ТТЛ;
|
|
а – базовый элемент серии KI3I; б – базовый элемент серии К155: в –базовый элемент серии KI34
Микросхемы ТТЛ первоначальной разработки стали активно заменяться на микросхемы ТТЛШ, имеющие во внутренней структуре переходы с барьером Шотки.
Рис 55.Пояснение принципа получения структуры с переходом Шотки:
а – ненасыщенный транзисторный ключ; б – транзистор с диодом Шотки,
в – символ транзистора Шотки
В основе транзистора с переходом Шотки (транзистора Шотки) лежит известная схема ненасыщенного транзисторного ключа (рис. 55, а). Чтобы транзистор не входил в насыщение, между коллектором и базой включают диод. Применение диода обратной связи для устранения насыщения транзистора впервые предложено Б. Н. Кононовым. Однако в этом случае U 0выхможет увеличиться до 1 В. Идеальным диодом является диод с барьером Шотки. Он представляет собой контакт, образованный между металлом и слегка легированным n -полупроводником. В металле только часть электронов являются свободными (те, что находятся вне зоны валентности). В полупроводнике свободные электроны существуют на границе проводимости, созданной добавлением атомов примеси При отсутствии напряжения смещения число электронов, пересекающих барьер с обеих сторон, одинаково, т. е. ток отсутствует. При прямом смещении электроны обладают энергией для пересечения потенциального барьера и прохождения в металл. С увеличением напряжения смещения ширина барьера уменьшается и прямой ток быстро возрастает.
При обратном смещении электронам в полупроводнике требуется больше энергии для преодоления потенциального барьера. Для электронов в металле потенциальный барьер не зависит от напряжения смещения, поэтому протекает небольшой обратный ток, который практически остается постоянным до наступления лавинного пробоя.
|
|
Ток в диодах Шотки определяется основными носителями поэтому он больше при одном и том же прямом смещении а, следовательно, прямое падение напряжения на диоде Шотки меньше, чем на обычном р – n -переходе при данном токе. Таким образом, диод Шотки имеет пороговое напряжении открывания порядка (0,2...0,3) В в отличие от порогового напряжения обычного кремниевого диода 0,7 В и значительно снижает время жизни неосновных носителей в полупроводнике.
В схеме рис. 55, б транзистор VT1 удерживается от перехода в насыщение диодом Шотки с низким порогом открывания (0,2...0,3) В, поэтому напряжение U 0выхповысится мало по сравнению с насыщенным транзистором VT1. На рис. 55, в показана схема с «транзистором Шотки». На основе транзисторов Шотки выпущены микросхемы двух основных серий ТТЛШ (рис. 56).
На рис. 56, а показана схема быстродействующего логического элемента, применяемого как основа микросхем серии К531 (зарубежный аналог – 74S), [S – начальная буква фамилии немецкого физика Шотки (Schottky)]. В этом элементе в эмиттерную цепь фазоразделительного каскада, выполненного на транзисторе VT2, включен генератор тока – транзистор VT6 с резисторами R4 и R5. Это позволяет повысить быстродействие логического элемента. В остальном данный логический элемент аналогичен базовому элементу серии К131. Однако введение транзисторов Шотки позволило уменьшить t зд.р вдвое.
Рис. 56.Принципиальные схемы логических элементов ТТЛШ с переходом Шотки:
а – базовый элемент серии К531; б – базовый элемент серии К555
На рис. 56, б показана схема базового логического элемента серии К.555 (зарубежный аналог – 74LS). В этой схеме вместо многоэмиттерного транзистора на входе использована матрица диодов Шотки. Введение диодов Шотки исключает накопление лишних базовых зарядов, увеличивающих время выключения транзистора, и обеспечивает стабильность времени переключения в диапазоне температур.
Резистор R6 верхнего плеча выходного каскада создает необходимое напряжение на базе транзистора VT3 для его открывания. Для уменьшения потребляемой мощности, когда логический элемент закрыт (U 1вых), резистор R6 подключен не к общей шине, а к выходу элемента.
Диод VD7, включенный последовательно с R6 и параллельно резистору коллекторной нагрузки фазоразделительного каскада R2, позволяет уменьшить задержку включения схемы за счет использования части энергии, запасенной в емкости нагрузки, для увеличения тока коллектора транзистора VT1 в переходном режиме.
Транзистор VT3 реализуется без диодов Шотки, т. к. он работает в активном режиме (эмиттерный повторитель).