Элементы цифровых систем, страница 2

          Один из недостатков базового вентиля ТТЛ (рис. 6.2) заключается в том, что такие вентили нельзя объединить по выходу, поскольку они имеют низкое выходное сопротивление в обоих состояниях. Для того, чтобы выполнить объединение по выходу, можно использовать вентили ТТЛ с тремя состояниями. На рис. 6.3 показана принципиальная схема такого вентиля. Особенностью этой схемы является наличие управляющего входа . Высокий уровень напряжения на этом входе удерживает VT1 в состоянии насыщения, благодаря чему будет закрыт VT2, а следовательно, и VT6; в то же время управляющий вход через диод VD3 шунтирует коллекторную цепь VT2, благодаря чему транзистор VT5 выходного каскада также будет закрыт. В этом случае выход находится в третьем состоянии – состоянии высокого сопротивления Z (рис. 6.3,б). При низком уровне напряжения на управляющем входе ( = Н) транзистор VT7 закрыт, и схема ведет себя как обычный вентиль 2И-НЕ (рис. 6.3,б). Заметим, что в выходном каскаде вместо диода VD3 (рис. 6.2,а) включен транзистор VT4 по схеме Дарлингтона (рис. 6.3,а).

          Выходы двух или более вентилей с тремя состояниями можно соединять, но только при условии, что сигнал разрешения в каждый момент времени подан только лишь на один вентиль.

          В рассмотренных вентилях ТТЛ все транзисторы, кроме VT4 на рис. 6.2,а и VT5 на рис.6.3,а в открытом состоянии входят в режим насыщения. Прямое смещение коллекторного перехода значительно увеличивает заряд неосновных носителей в базе, так что при переключении транзистора в состояние отсечки требуется дополнительное время для рассасывания этих носителей. Это важнейший фактор, ограничивающий быстродействие микросхем ТТЛ.

6.2.3. Вентиль ТТЛШ

          Быстродействие микросхем ТТЛ существенно повышается, если между коллектором и базой транзистора включить диод Шоттки с малым падением напряжения (рис. 6.4,б). При переключении транзистора в открытое состояние pn-переход диода смещается в прямом направлении до того, как это случится с коллекторным pn-переходом. Таким образом предотвращается переход открытого транзистора в состояние насыщения. На рис. 6.4.,а показано, каким образом такой диод может быть встроен в транзисторную структуру. Анодом диода Шоттки служит соединение металла с базой транзистора, а катодом n-полупроводник коллектора. Защитное кольцо р+ служит для исключения краевых эффектов. На рис. 6.4,в показано условное обозначение транзистора Шоттки, а на 6.5 – схема вентиля ТТЛШ (базовая схема серии К531). Он работает аналогично вентилю ТТЛ (рис. 6.2). Разница в том, что в вентиле ТТЛШ открытые транзисторы не входят в состояние насыщения.

6.2.4. Вентиль ЭСЛ

Основой базового вентиля эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) служит дифференциальный усилительный каскад (рис. 6.6), обеспечивающий переключение рабочего тока из одного плеча (VT1, VT2) в другое (VT3) в зависимости от уровней напряжения на входах Х1 и Х2. При низком уровне напряжения на обоих входах ток I_o протекает через транзистор VT3, и на его коллекторе – низкий уровень, который через эмиттерный повторитель VT6 передается на выход Y1. Если хотя бы на одном входе действует высокий уровень напряжения, ток I_o переключается в цепь соответствующего транзистора (VT1, VT2, либо VT1 и VT2), на объединенных коллекторах устанавливается низкий уровень напряжения, который через эмиттерный повторитель VT5 передается на выход Y2. Сигналы на объединенных коллекторах транзисторов VT1, VT2 и на коллекторе транзистора VT3 противофазны (рис. 6.6,в). Опорное напряжение на базу транзистора VT3 подается через эмиттерный повторитель (VT4, R6) от делителя напряжения (R7, VD1, VD2, R8).

          Эмиттерные повторители (VT5, VT6) обеспечивают низкоомный выход вентиля при незначительной нагрузке на дифференциальный усилитель. Резисторы нагрузки (R_внеш. на рис. 6.6,а) устанавливаются вне корпуса ИМС, что снижает рассеиваемую корпусом микросхемы мощность и позволяет объединять выходы. Резисторы R1 и R2 фиксируют низкий уровень входного напряжения (на неподключенном входе – Н). Два отдельных вывода земли обеспечивают ослабление влияния тока нагрузки эмиттерных повторителей на работу дифференциального усилителя.

          Рассмотренный базовый вентиль является основной схемотехнической ячейкой ИМС серии К500, К100 и др. Источник опорного напряжения обычно применяют для подачи потенциала U_оп на несколько базовых вентилей, включенных в один корпус ИМС.

В вентилях ИМС серии К1500 применена более сложная схема, обеспечивающая лучшие параметры.

6.2.5. Вентиль интегральной инжекционной логики (И²Л)

Вентили И²Л строятся на основе двухтранзисторной  схемы, работающей как инвертор (рис. 6.7,а). Здесь рnр-транзистор VТ1 с резистором R действует как источник тока, подаваемого в базу npn-транзистора VТ2. Если вход Х разомкнут (Х=1), коллекторный ток транзистора VТ1 поступает в базу VТ2 и смещает его эмиттерный переход в прямом направлении – транзистор VТ2 открыт ( Y=0 ). Если же вход заземлен (Х=0 ), транзистор VT2 закрывается (Y=1). Таким образом, когда вход вентиля разомкнут, его выход оказывается заземленным; при заземленном входе - выход оказывается разомкнутым; в соответствии с рис. 6.7,б   .

В изготовлении И²Л–инвертор еще проще, чем на схеме. Поскольку коллектор VT1 и база VT2 соединены и состоят из полупроводника p-типа, они реализуются в виде единой области на кристалле. Аналогичное объединение образуют также база VT1 и эмиттер VT2. По этой причине И²Л называют также совмещенной логикой (СТЛ).

Резистор R не встроен в кристалл, а находится вне микросхемы. Благодаря этому его сопротивление может быть выбрано так, чтобы обеспечить нужный уровень инжекторного тока при заданном питающем напряжении. Выбор сопротивления R определяется компромиссом между требованиями быстродействия и минимизации рассеиваемой мощности.