Базові елементи цифрових інтегрованих мікросхем (Глава 4 навчального посібника), страница 2

4.1.2. Основна схема та статичні режими

Базова схема елемента ТТЛ (на рис. 4.2,а виділена пунктиром) складається зі вхідного каскаду на БЕТ VT1, який виконує, як і в попередній схемі, логічну функцію I, фазорозділювального каскаду VT2, що виконує функцію комутатора, та вихідного двотактного каскаду на транзисторах VT3, VT4.

Розглянемо для спрощення статичні стани БЕ в режимі інвертора: до входу х2=1 прикладено сталу напругу рівня лог. 1, тому відповідний емітерний перехід зачинений і не впливає помітно на роботу елемента. Напругою ux1 на вході х1, з’єднаного з виходом такого самого БЕ на транзисторах VT3 /, VT4 /, струм Iб1 від джерела  живлення Eж перемикається то в емітер БЕТ через перехід Vбе1,            

зв’язаний зі входом х1, то в емітерні переходи Vбе2, Vбе4 транзисторів  VT2, VT4 через колекторний перехід Vбк1 БЕТ. Умовно така комутація зображена за допомогою перемикача S1 на рис. 4.2,б. Схема на транзисторах VT2, VT3, VT4 є складним інвертором: фазорозділювальний каскад VT2 комутує транзистори вихідного каскаду, підмикаючи по черзі вихід у до високої напруги U1 або до низької U0, як це умовно показано на рис. 4.2,в за допомогою двопозиційного перемикача S2. При цьому вихід у навантажено на кількість входів Kроз аналогічних БЕ (Kроз – коефіцієнт розгалуження або навантажівна здатність). Завдяки двотактному каскадові забезпечується малий вихідний опір в обох станах перемикача, внаслідок чого підвищується навантажівна здатність і швидкодія БЕ ТТЛ.

У вимкненому стані рівнем х1=0 на виході насиченого транзистора-джерела VT4 / емітерний перехід Vбе1 БЕТ VT1 відчинено (перемикач S1 у положенні 1) і через нього з елемента витікає вхідний струм I0вх значної величини (у цьому стані струми подано суцільними стрілками), який замикається через транзистор VT4 /. Напруга низького рівня

                                       uб1=Uх1+Uбе1=Uк.н+Uпр<3Uбо                      (4.1)

не достатня для відкривання трьох p-n-переходів транзисторів VT1, VT2, VT4 (див. рис. 4.2,б), тому транзистор VT2 зачинений і до колектора БЕТ VT1 замикається лише його тепловий струм Iк1=Iб2=Iко. Внаслідок цього транзистор VT1 опиняється в режимі насичення з мікрострумом у його колекторному колі, тому напруги становлять

uб2=uх1+uке1=Uк.н+Uзал » Uк.н,  uбк1=uб1-uб2 » Uпр.                          (4.2)

Отже, обидва переходи транзистора VT1 зміщено в прямому напрямку, що пришвидшує процес розсмоктування заряду в транзисторі VT2 під час його закривання.

Зачинений транзистор VT2 комутує вихідний каскад таким чином: напругою uе2=uб4=Iе2Rе »0 транзистор VT4 вимикається, а напругою uк2»Eж вмикаються транзистор VT3 і діод VD, що еквівалентно стану 1 двопозиційного перемикача S2. Тому на виході у встановлюється напруга рівня лог. 1:

uу=U1=uк2-uбе3-uVD » Eж-2Uпр,                                        (4.3)

яка за типового значення Eж=5 В становить U1 » 3,5 В. Крізний струм через вихідний каскад при цьому не протікає, а вихідний  струм I1вих витікає зі схеми і розгалужується до входів навантажувальних елементів, отже, струм I1вих=KрозI1вх невеликий, бо I1вх£40 мкА. За відсутністю навантаження вихідний струм дорівнює  лише тепловому струмові транзистора VT4.

Резистор R0 у вихідному каскаді опором біля 0,1Rк  призначений для обмеження струму короткого зімкнення, який може виникнути під час випадкового закорочення виходу схеми на землю, під час заряджання ємності Сн значної величини, а також у процесі перемикання вихідного каскаду, коли обидва транзистори VT3 та VT4 можуть опинитися у відчиненому стані. Навантаження ввімкнене в емітерне коло транзистора VT3, тобто цей каскад є емітерним повторювачем. Через малі значення опору R0 і струму I1вих напруга на колекторі uк3 »Eж, а  на базі uб3£Eж, отже, колекторний перехід зачинений, тому транзистор VT3 перебуває в активному режимі. Цим пояснюється невеликий вихідний опір БЕ у вимкненому стані:  R1вих» Rк/h21e.