ТТЛ логические схемы

Типичный представитель этих микросхем – 155 серия. Она уже не выпускается, но так как основные схемные решения те же, что и в более современных, отличие только в особенностях, то есть смысл, с учебной целью, начать рассмотрение именно этой логической схемы. Кстати, микросхемы 155 серии взаимозаменяемы с более современными.

Основные параметры:

– напряжение питания +5 В (современные ТТЛ схемы – 2…3В);

– уровень нуля в диапазоне от +0,05 до +0,4 В;

– уровень единицы в диапазоне от +2,4 до +4,9 В;

– помехоустойчивость средняя – это диапазон между нижним уровнем единицы и верхним уровнем нуля;

– потребление среднее (1­ – 10 мВт);

– среднее время задержки 10 нс;

– температурный диапазон –10 – +70 °C;

Принципиальная схема одной из логических ТТЛ–схем ЛА-3 изображена на рисунке 2.4, а). В корпусе б) размещены четыре совершенно одинаковых схемы. На его поверхности, сверху или снизу располагается метка (точка или вмятина). Смотреть на микросхему (корпус) снизу, на электроды, считать от метки по часовой стрелке. Седьмой электрод предназначен для подключения минуса источника питания, четырнадцатый – для плюса. По такому же принципу производится отсчет электродов и в других, более сложных случаях.

Рисунок 2.4 – ТТЛ логическая схема ЛА-3, а); цоколевка, б)

Диоды VD1 и VD2 имеют два назначения:

1 Противозвонное назначение. Смысл в том, что при переходе от нуля к единице или наоборот возникают колебательные процессы. И эти колебательные процессы затухают быстрее, если есть диоды VD1, VD2.

2 Входы ЛЭ не допускают даже кратковременную подачу отрицательных уровней, но иногда такое случается. Диоды их закорачивают, защищают входы.

VT1 – многоэмиттерный транзистор. Каждый отдельный эмиттер – отдельный вход. Количество в среднем до десяти, т. е. эта схема содержит усилительные элементы в отличие от предыдущей, поэтому к выходу можно подключить до десяти точно таких же логических схем.

Многоэмиттерный транзистор действует в двух режимах:

1 В прямом режиме, если на одном или на всех входах низкие уровни, образованные открытым транзистором VT5 предыдущей логической схемы. В этом случае входной электрод или оба одновременно действуют в эмиттерном режиме, коллекторный – в коллекторном режиме, базовый – в базовом. Токи протекают по следующим цепям:

предыдущей логической схемы…земля.

2 Если одновременно на все входы без исключения подается высокий уровень с выхода другой логической схемы, то VT1 действует в инверсном режиме, а именно: оба эмиттерных электрода действуют в коллекторном режиме, а коллекторный электрод VT1 в эмиттерном режиме. Токи:

, а часть тока протекает в цепь ГСТ, образованного R₂, R₃, VT3. Открывается VT2, начинает протекать ток по цепи:

Эта цепь открывает VT5, следовательно, выход F через открытый VT5 соединяется с землей, выходное сопротивление F невелико, этим ускоряется разряд емкостей нагрузки, повышается быстродействие схемы. Т.к. выход F почти соединен с землей, на нем низкий уровень, называемый нулем.

Резистор R1 устанавливает необходимую величину базового тока VT1 (≈4кОм).

Транзистор VT2 предназначен для усиления по току, действует в основном в эмиттерном режиме, хотя есть и коллекторный резистор R4, с которого снимается ток в цепь базы VT4.

R2, R3, VT3 – генератор стабильного тока (ГСТ).

Физический смысл работы схемы заключается в следующем. В некоторых случаях, в книгах, изображают резистор вместо этой схемы, подразумевая эту схему. Для того, чтобы уменьшить потери на подложке, а также площадь на поверхности подложки, используют процессы, изображенные на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Процессы в схеме ГСТ

По отношению к VT3, цепь VT2–R₄ имеет небольшое сопротивление. Поэтому нагрузочная прямая изображается с малым наклоном влево из точки E^I₀. При повышении напряжения до Е^II₀ происходит одновременное смещение нагрузочной прямой.

(высокое)

Таким образом, в случае нестабильности напряжения питания в диапазоне от E₀’до E₀’’ динамическое сопротивление высокое. С другой стороны, высокое сопротивление только в диапазоне ∆U, а статическое сопротивление постоянного тока примерно на порядок меньше. Следовательно, потери тоже небольшие. В сравнении с эквивалентным резистором, снижается нагрев подложки микросхемы.

Транзистор VT5 совместно с VT4 образует инвертор, который в литературе называют мощным инвертором. Если на входы Х1 и Х2 одновременно подать высокие уровни, транзистор VT1 работает в инверсном режиме, через переходы Б –Э VT2, VT5 протекают токи, следовательно, VT2, VT5 открыты.

С одной стороны выход F через открытый транзистор VT5 соединен с землей. На нем низкий уровень, “0”. Выходное сопротивление выхода F минимальное.

С другой стороны, так как VT2 открыт, образуется цепь – это основная токовая цепь, открывающая транзистор VT5. Т. е. ток резистора R4 не ответвляется в цепь базы VT4, а уходит в открытый VT2. На диоде VD3 выделяется падение напряжения в соответствии с рисунком 2.6

Рисунок 2.6 – Типовая диодная характеристика

Плюс падения напряжения на VD3 прикладывается к эмиттерному электроду транзистора VT4, а минус через к базе VT4, удерживают VT4 закрытым. Следовательно, на выходе F будет наблюдаться низкий уровень при двух высоких на входах Х1, Х2.

Так как в цепях Б – Э VT2, Б – Э VT5 протекают открывающие токи, то образуются диффузионные заряды в объемах баз. Условно считаем, что это эквивалентно подключению двух конденсаторов С_дифф.1 и С_дифф.2 (в действительности их нет). Напряжение каждого такого конденсатора равно падению напряжения на переходе Б – Э 0.6 ÷ 0.7 В (см. рисунок 2.6, как у диода). Теперь подадим на любой из входов (Х1, Х2 или на оба одновременно) низкий уровень. Транзистор VT1 переходит в нормальный для него режим. Эмиттерный электрод выполняет эмиттерную роль, коллекторный – коллекторную.

Из базы транзистора VT2 вытекает ток, поэтому VT2 закрыт. Вместе с ним закрыт VT5, следовательно, ток резистора R₄ не может протекать через закрытый VT2, направление ему в Б – Э VT4, VD3, выход F и нагрузку, не изображенную на схеме и т. д. Следовательно, VT4 открыт. Образуется цепь. На выходе F выделяется высокий уровень, называемый единицей. Выходное сопротивление F невелико, т.к. VT4 открыт, а источник питания E₀ по переменной составляющей считается связанным с землей.

Выводы:

1 Схема инвертирует входные логические сигналы.

2 Это схема безусловного подчинения нулю (низкому уровню) по одному или всем входам. Если на любой из входов подать нуль, на выходе принудительно выделится единица.

Включение ускоряется потому, что в схеме три транзистора включены как один, а именно: если на все входы одновременно подать высокие уровни, то протекают токи, открывающие VT2, VT5 по цепи.

инверсный режим

Форсирование закрывания объясняется тем, что условные конденсаторы С_дифф.1,2 были заряжены на интервале открытого состояния VT2, VT5, и после подачи низкого уровня на любой из входов образуется цепь предыдущей логической схемы.

Собственно в этой цепи включены два источника с напряжением 0.6 ÷ 0.7 В (в сумме 1.2 ÷ 1.4 В), которые образуют этот разрядный ток для диффузионных емкостей, одновременно форсирующий закрывание VT2, VT5.

При переключении транзисторов VT4, VT5, на интервале времени, равном десятым долям наносекунды, когда один транзистор из пары открылся, а второй еще не закрылся из–за наличия этапа рассасывания, протекает сквозной ток по цепи:

. Этот сквозной ток в среднем на порядок превышает ток нагрузки, образуя выброс. В соседних цепях печатной платы, в жгутах возникают наводки, которые могут привести в ложному срабатыванию соседних микросхем. Для предотвращения рекомендуется к электродам питания микросхем (например 7, 14) припаивать конденсаторы емкостью до 100 ПФ. В моменты переключений транзисторов выбросы сквозных токов потребляются из конденсаторов, тем более потому, что цепи питания имеют распределенные индуктивности, представляющие для быстро протекающих процессов повышенное сопротивление. Следовательно, уровень помех в цепях питания снижается.

Сквозные токи – один из основных недостатков ТТЛ серии. На электрических принципиальных схемах часто изображают несколько конденсаторов, включенных параллельно. Объяснение здесь в том, что разные конденсаторы неодинаково фильтруют помехи. Например, электролитические конденсаторы с большой емкостью плохо фильтруют высокочастотные составляющие. Электролитическая лента внутри конденсатора свернута в трубку, представляющую собой индуктивность, препятствующую прохождению высокочастотных помех. Поэтому параллельно электролитическим включают керамические конденсаторы, емкость которых меньше, но они лучше фильтруют высокочастотный спектр.

Некоторые особенности ТТЛ–серии:

1 Состояние типа “Z”.

Выходы микросхемы, изображенной на рисунке 2.4, нельзя соединять напрямую с выходами такой же схемы, потому что, если транзистор VT5 одной из них открыт, а второй – закрыт, то произойдет короткое замыкание. В таком случае необходимы микросхемы, у которых не два состояния, а три (третье – типа “Z”, при котором VT4, VT5 одновременно закрыты). Программированием исключается состояние короткого замыкания. Выход F в этом случае имеет высокое выходное сопротивление, так как оба транзистора закрыты.

Схема логического элемента с состоянием типа Z изображена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Логический элемент с состоянием типа “Z”.

Если на входе U₀ инвертора “1”, то на выходе будет “0”, следовательно, образуется цепь, соединяющая VT2 с землей (коллекторный электрод). VT2 открыт, VT4, VT5 одновременно закрыты, так как ток транзистора VT1 уходит через Б–К VT2 на землю и ток R₄ тоже уходит на землю.

2 Объединение выходов.

Используется микросхема (см. рисунок 2.8) с открытым коллектором (бывает с открытым эмиттером).

Рисунок 2.8 – Микросхема с открытым коллектором

Выходы этих микросхем можно соединить друг с другом, но величину тока необходимо рассчитывать по наихудшему случаю. Обычно последовательно с коллекторным электродом включают элементы индикации, светодиоды, обмотки реле, цепи других логических элементов.

Если на входы подавать импульсы, то на выходе в этом виде импульсов не будет, так как нет напряжения. Чтобы наблюдать импульсы, необходимо дополнить схему резистором R. Тогда в цепи этого резистора и транзистора VT4 появится импульсный ток, а на экране осциллографа импульсы напряжения. Допустимые величины тока для ЛА7 – 15 мА, ЛА8 – 5 мА. Ромбик с подставкой означает открытый коллектор.