Параметры цифровых интегральных микросхем потенциального типа, страница 2

Схема базового вентиля 2И-НЕ

Если потенциал на обеих входах высокий, то открывается коллекторный переход Т1 и ток через резистор R1 открывает Т2. Транзистор Т2 входит в насыщение, транзистор Т4 тоже открывается и напряжение на его коллекторе падает до напряжения насыщения V выхода = Vнас. Это напряжение логического нуля вентиля равно:  V⁰ = (0.3 – 0.5) В.  Выходное сопротивление вентиля определяется сопротивлением насыщения Т4 и равно ~10 Ом. Транзистор Т1 работает при этом в инверсном режиме, но коэффициент усиления b его сделан малым (~ 0.01), поэтому входной ток вентиля (ток эмиттера Т1) мал.

Если потенциал хотя бы на одном эмиттере Т1 (входе вентиля) становится близким к нулю, то ток от R1 перехватывается в этот эмиттер и транзистор Т2 запирается. Ток через R2 течет в базу Т3, отпирая его, и на выходе напряжение повышается до величины, равной:

Епит – Vбэ _Т3 – V_Д = 5 – 0.7 – 0.7 = 3.6В  Это и есть напряжение логической единицы V¹. Выходное сопротивление в этом состоянии равно: R2/b_T3 + Rэ_Т3 + R_Д3 .  Эта величина ориентировочно равна 150 – 200 Ом.

В схемах с открытым коллектором элементы R4, T3, Д3 отсутствуют. К выходной ножке микросхемы подключен один коллектор транзистора Т4. Для нормальной работы вентиля к выходу должно быть подключено внешнее сопротивление на источник питания +5В для того, чтобы при закрытом Т4 на выходе было напряжение лог.1. При этом возможно подключение нескольких выходов параллельно, что реализует логическую функцию И. Этот прием называется «монтажное И». Схемы с открытым коллектором также используются для питания обмоток реле, светодиодных индикаторов и т.д.

Некоторые вентили имеют на входе триггер Шмидта. Гистерезис переключения входа схемы позволяет увеличить помехоустойчивость работы, особенно при передаче сигналов на большие расстояния, а также обеспечивается устойчивость работы при медленном изменении напряжения на входе. Величина гистерезиса обычно равна 0.8В при среднем значении порога 1.4В.

Диоды Д1 и Д2 на входе уменьшают отражение сигнала при передаче его на большие расстояния, поэтому они называются антизвонными. 

Коэффициент разветвления ТТЛ логики обычно равен 10, у схем с повышенной нагрузочной способностью может быть 30 (155ЛА6).

В современных сериях (555, 1533) переходы коллектор – база  всех транзисторов  шунтированы диодами Шоттки, поэтому транзисторы в этих схемах называются транзисторами Шоттки, а данный вид технологии – ТТЛШ. Этот прием позволяет значительно улучшить параметры вентилей – уменьшить потребляемую мощность и задержку переключения.

Передаточная характеристика.

Входной ток в состоянии лог.0 зависит от величины сопротивления R1. С улучшением технологии сопротивление это увеличивается и входной ток уменьшается. В современной серии 1533 типовой входной ток Iвх.⁰ = 0.2мА.

Допустимое напряжение помехи 0.4 – 0.5 в для лог.1 и лог. 0. Уровень логического нуля у ТТЛ/ТТЛШ серий находится в пределах 0.3 – 0.5 В, а уровень логической единицы – 2.4 – 3.5В. Напряжение питания   +5B 5%.

Особенности применения

Ток потребления вентиля ТТЛ сильно возрастает в момент переключения микросхемы, что приводит к броскам тока потребления. Для уменьшения пульсаций в питании рекомендуют ставить емкость 20нФ между шиной питания и общим проводом (землей) на каждые 4 – 8 корпусов микросхем, а на вводе в плату – (0.1 – 1) мкф. На свободные , неиспользуемые выводы микросхем в зависимости от реализуемой функции нужно подать необходимые потенциалы (лог.0 или лог.1). Логический нуль делается заземлением вывода вентиля. Лог.1 создается подключением вывода вентиля к источнику питания через сопротивление 1 кОм. Одновременно к этому сопротивлению может быть подключено не более 15 выводов. Схемы ТТЛ выпускается в наиболее широкой номенклатуре (более 200 наименований).

Температурные зависимости ТТЛ микросхем.

Как видно из передаточной характеристики, напряжение переключения схемы равно 1.4В при 20°С. Это напряжение имеет температурную зависимость

dV/dT = -3.5 мВ/град. Задержка переключения t⁰¹ падает с ростом температуры, а t¹⁰ растет, однако рост гораздо более интенсивный, поэтому у двух включенных последовательно инверторов общая задержка растет. В температурном диапазоне 20 – 60ºС рост задержки составляет ~5% от общей.

Эмиттерно – связанная логика (ЭСЛ).

Элементы ЭСЛ являются основной элементной базой для микросхем сверхвысокого быстродействия. Для уменьшения задержек переключения транзисторы в ЭСЛ работают в ненасыщенном режиме и  логический перепад у них

Схема базового вентиля ЭСЛ микросхемы

уменьшен. Особенности элементов ЭСЛ определяются использованием эмиттерно – связанных переключателей тока. Порог переключения задается внутренним генератором опорного напряжения. В схеме сравниваются напряжение входного сигнала со стабильным внутренним опорным и в зависимости от значений входного сигнала происходит переключение входных транзисторов. Выходное сопротивление определяется эмиттерными повторителями на транзисторах Т5, Т6. Сопротивления R1, R2 ~ 200 – 300 Ом, поэтому выходное сопротивление меньше 10 Ом, что позволяет работать на нагрузку 50 Ом. Максимальный выходной ток – 50 мА. Эмиттерные повторители позволяют работать на емкостную нагрузке и имеют большой допустимый коэффициент разветвления – 15.

Логические уровни для ЭСЛ:  –0.86 – 0.96В для лог.1,  -1.67 – 1.85В для лог.0.

Если на входе схемы  по условию работы должен быть установлен лог.0, то этот вывод оставляют свободным. Для установки лог.1 этот уровень напряжения специально создается либо резистивным делителем, или для этого используется инвертор, у которого на входе – лог.0.

Динамические параметры

Основной параметр, определяющий динамические свойства вентиля – его

задержка переключения t_з⁰¹ и  t_з¹⁰.Микросхемы ЭСЛ – самые быстродействующие. Задержка для вентиля серии 500  - 2.9 нсек, для серии 1500 – 1.5 нсек.

Вследствие малого логического перепада схемы имеют малое допустимое напряжение  помехи – 100 – 150 мВ. Через выводы микросхемы, подключенные к земляной шине, протекают значительные импульсные токи с крутыми фронтами. Чтобы уменьшить выбросы напряжения на паразитных индуктивностях земляного провода, он должен быть выполнен широкой шиной. При двустороннем монтаже лучше всего фольгу с одной стороны платы использовать только в качестве земли, а всю разводку делать по возможности с другой стороны. Это заметно повышает устойчивость работы схемы. Если длина проводника между элементами больше , то соединение должно быть выполнено линией, нагруженной на волновое сопротивление на конце. При этом используется либо отдельный источник – 2В, либо используется согласованный делитель напряжения, у которого напряжение х.х. равно –2 в, а входное сопротивление равно волновому сопротивлению линии, т.е. можно записать:

Rлинии	R1	R2
50 ом	82	120
75 ом	130	200

В таблице даны значения сопротивлений R1 и R2 для наиболее часто встречающихся волновых сопротивлений линии 75 ом и 50 ом.

Если длина соединительной линии меньше l_max, то между выходом микросхемы и источником питания –5.2 в можно подключить резистор необходимой величины. Расчет резистора вести из расчета: погонная емкость проводника ~ 100пф/м, каждый вход и выход вентиля ЭСЛ равен ~ 2 пф.  При переключении выхода в состояние лог.1 эта суммарная паразитная емкость быстро заряжается через малое выходное сопротивление выходного транзистора вентиля. При переключении же в лог.0,  эта емкость разряжается через внешний резистор и для уменьшения этой задержки сопротивление резистора должно быть достаточно малым. С другой стороны, чрезмерное уменьшение резистора увеличивает потребляемую мощность. Обычно номинал резистора находится в пределах 330 – 510 Ом.