Базовые логические элементы, страница 3

Ключи на МДП-транзисторах. В ключах на полевых транзисторах (рис. 5.4) отсутствует такой недостаток, как накопление и рассасывание неосновных носителей, поэтому время переключения определяется зарядкой и перезарядкой междуэлектродных емкостей. Роль резистора  могут выполнять полевые транзисторы. Это значительно облегчает технологию производства интегральных ключей на полевых транзисторах.

Рис. 5.4. Схемы электронных ключей на ПТ с p-n-затвором (а) и МДП-типа (б).

В ключах на МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис, 5.5) роль резистора  выполняют транзисторы VТ1, а роль активного элемента — транзисторы VТ2. Транзисторы VТ2 имеют канал p-типа, а транзисторы VT1 — канал n-типа (рис. 5.5, а) или n-типа (рис. 5.5, б). Их передаточные характеристики показаны на рис. 5.6, а и 5.6, б соответственно. Графики напряжений, поясняющие работу ключей, представлены на рис. 5.7.

Рис. 5.5. Схемы электронных ключей на МДП-транзисторах с индуцированными каналами одинакового (а) и противоположного (б) типов электропроводности

Рис. 5.6. Передаточные характеристики МДП-транзисторов с индуцированными каналами различного типа электропроводности

Рис. 5.7. Графики изменений входного (а) и выходного (б) напряжений электронных ключей на МДП-транзисторах

При подаче на вход положительного напряжения  транзисторы VТ2, имеющие канал p-типа, закрываются. Транзистор VТ1 первого ключа (рис. 5.5, а) открыт вследствие поданного на его затвор отрицательного напряжения смещения . Транзистор VТ1 второго ключа, имеющий канал n-типа (рис. 5.5, б), также оказывается открытым, так как его затвор соединен со входом, на котором действует положительное напряжение . Сопротивления открытых транзисторов VT1 малы по сравнению с сопротивлением закрытых транзисторов VT2, и .

При поступлении на вход ключей отрицательного напряжения  транзисторы VT2 открываются, а транзисторы VT1 закрываются. Почти все напряжение  падает на большом сопротивлении канала транзистора VT1, и .

5.4. Базовые логические элементы на биполярных структурах. В зависимости от компонентов, которые используются при построении ЛЭ, и способа соединения компонентов в пределах одного ЛЭ различают следующие типы ЛЭ, или типы логик:

диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

инжекционно-интегральная логика (И²Л, ИИЛ);

логические элементы на МДП-транзисторах (КМДП).

Имеются и иные типы ЛЭ. Одни из них морально устарели и в настоящее время не применяются, другие находятся в стадии разработки.

Логические элементы ТТЛ. Транзисторно-транзисторными называются такие логические элементы, во входной цепи которых используется многоэмиттерный транзистор (МЭТ). По принципу построения и работе схемы ТТЛ близки к схемам ДТЛ. Эмиттерные переходы МЭТ выполняют функцию входных диодов, а коллекторный переход — роль смещающего диода. Элементы ТТЛ компактнее, чем элементы ДТЛ, что повышает степень интеграции микросхем ТТЛ. Интегральные схемы на основе ТТЛ по сравнению с микросхемами ДТЛ имеют более высокие быстродействие, помехозащищенность и надежность, большую нагрузочную способность и меньшую потребляемую мощность.

На рис. 5.8, а показана схема 3И — НЕ ЛЭ ТТЛ с простым инвертором. Если на все входы МЭТ поданы напряжения , соответствующие уровню 1, то все эмиттерные переходы МЭТ VТ1 смещены в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. Коллекторный ток МЭТ протекает через базу транзистора VТ2, который открывается и переходит в режим насыщения. На выходе ЛЭ устанавливается напряжение низкого уровня .

Если хотя бы на один вход МЭТ подано напряжение , соответствующее уровню 0, то соответствующий эмиттерный переход МЭТ смещается в прямом направлении. Эмиттерный ток этого перехода протекает через резистор R1, вследствие чего коллекторный ток МЭТ уменьшается и транзистор VТ2 закрывается. На выходе ЛЭ устанавливается напряжение высокого уровня .

Для повышения быстродействия ЛЭ в него вводят нелинейную обратную связь, осуществляемую с помощью диода Шотки (диод VD на рис. 5.10, а). Диод Шотки VD с транзистором VТ2 в интегральном исполнении составляет единую структуру, которую иногда называют транзистором Шотки.

Рис. 5.8. Схемы логических И — НЕ ТТЛ с простым (а) и сложным (б) инверторами

На рис. 5.8, б показана схема логического элемента 2И — НЕ ТТЛ со сложным инвертором. Работа такого инвертора была рассмотрена раньше.

Особенностью сложного инвертора является инерционность процесса переключения транзисторов VТ2, VТЗ и VТ4. Поэтому быстродействие сложного инвертора хуже, чем простого. Для повышения быстродействия сложного инвертора в него вводят дополнительный транзистор, который подключается параллельно эмиттерному переходу VТ4.

В настоящее время выпускается несколько разновидностей серий микросхем с элементами ТТЛ: стандартные (серии 133; K155), высокого быстродействия (серии 130; K131), микромощные (серия 134), с диодами Шоттки (серии 530; K531) и микромощная с диодами Шоттки (серия K555). Они имеют большой процент выхода, низкую стоимость, обладают широким функциональным набором и удобны для практического использования.

Логические элементы ЭСЛ. Элементную базу эмиттерно-связанной логики составляют устройства на переключателях тока.

Простейшая схема переключателя тока показана на рис. 5.9, а.

Рис. 5.9. Упрощенная схема переключателя тока (а) и графики напряжений (б), поясняющие его работу

Суммарный ток транзисторов VТ1 и VТ2 задается генератором тока I, включенным в цепь эмиттеров транзисторов. Если на вход (базу VТ1) поступает напряжение низкого уровня  (логический 0), то транзистор VТ1 закрыт и весь ток  протекает через транзистор VТ2, на базу которого подается опорное напряжение , превышающее нижний уровень напряжения базы VТ1.

На коллекторе закрытого транзистора VТ1 образуется напряжение высокого уровня (логическая 1), а на коллекторе открытого транзистора VТ2 — напряжение низкого уровня (логический 0), как показано на рис. 5.9, б. Если , то транзистор VТ1 откроется. Так как , то транзистор VТ2 окажется закрытым и весь ток  будет протекать через транзистор VТ1. На коллекторе VТ1 образуется напряжение низкого уровня, а на коллекторе VТ2 — высокого.

Параметры генератора тока таковы, что транзисторы VТ1 и VТ2 не переходят в режим насыщения. Этим достигается высокое быстродействие элементов ЭСЛ.

Принципиальная схема базового логического элемента ЭСЛ показана на рис. 5.10. Этот ЛЭ одновременно выполняет две логические операции: ИЛИ — НЕ по выходу 1 и ИЛИ по выходу 2.

Рис. 5.10. Схема базового логического элемента ЭСЛ