6298

Логические элементы на биполярных структурах

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Логические элементы на биполярных структурах. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) удачно совмещает хорошее быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочную способность с умеренным потреблением энергии и невысокой стоимостью...

Русский

2014-12-28

100.5 KB

36 чел.

Логические элементы на биполярных структурах.

Транзисторно-транзисторная логика  (ТТЛ) удачно совмещает хорошее быстродействие,  помехоустойчивость,  нагрузочную способность с умеренным потреблением энергии и невысокой стоимостью.

Особенность ТТЛ логики состоит к том, что в ней используется многоэмиттерный п-р-п  транзистор, который имеет от 2 до 8 эмиттepoв и общие области базы и эмиттера.

                                Схема простейшего элемента ТТЛ

Электрическая схема простейшего (малосигнального) ЛЭ ТТЛ состоит из входного  двухэмиттерного транзистора VT1, в цепь базы которого включен резистор R1, и выходного инвертора на транзисторе VТ2, и резисторе R2. Многоэмиттерный транзистор выполняет логическую операцию И. Простейшие элементы ТТЛ широко пользуются и БИС и как составная часть более сложных логических схем.

Пусть на одни вход ЛЭ подается напряжение логического нуля U uxl = U°, а на второй вход -  высокое напряжение U к2 = U1. Первый переход эмиттер-база транзистора VT1 будет смещен в прямом направлении. Второй змиттерпый переход, нa который подается напряжение высокого уровня Uцх2 > U1, смещен в обратном на правлении, ток его близок к пулю. Потенциал базы транзистора VT1  составляет

U = U +U*,

Где U   = 0,8 В   - прямое падение напряжения на эмиттерном .переходе при Т- 300 К. Напряжение Ufl приложено в прямом направлении к    последовательно  включенным  переходам  база- коллектор транзистора  VТl   и  база- эмиттер транзистора VТ2  Однако этого потенциала недостаточно для отпирания этих переходов (  Uб<  2U* ), поэтому Ik1=Iб2=О. Транзистор VT2 закрыт  Ток протекает от источника питании через резистор Rl,  переxoд база -эмиттер транзистора  VТl   и  источник напряжения U °. Он  является  входным током ЛЭ. Транзистор VТ2 закрыт, а через резистор R2 протекает небольшой ток нагрузки, поэтому на выходе ЛЭ устанавливается напряжение высокого уровня  - U'. Подобное же состояний устанавливается и схеме ЛЭ, если на нее входы подается напряжение низкого уровня U°.

При подаче на  все входы ЛЭ напряжения высокого уровня  эмиттерные   переходы  транзистора VТl     смещены  в обратном направлении. Транзистор VТ1-находится  к инверсном режиме.

Основной   ток  протекает от источника питания через резистор R1,  переходы база  - коллектор транзистора VTI и база -эмиттер транзистора VT2. Транзистор  VT2 открыт и находится в режиме насыщения.

Таблица истинности двухвходового ЛЭ ТТЛ имеет вид, соответствующий логической функции 2И НЕ. Описанный ЛЭ может работать при напряжении источника питания U = 3...5 В и  имеет логические уровни U0 < 0,5 В, U '> 2 В. Нагрузочная способность простейшего ЛЭ  ТТЛ  ограничена, хотя при малых значениях емкости нагрузки (в структурах СИС, БИС) задержка распространения может составлять единицы  наносекунд.

Базовые логические элементы, которые используются в качестве отдельных микросхем или как выходные каскады БИС, для повышения помехоустойчивости, нагрузочной способности и обеспечения высокого быстродействия имеют более сложную электрическую схему, которая представлена на рисунке 1.

        Рисунок 1  Схема элемента ТТЛ со сложным инвертором.

Схема содержит на  входе  многоэмиттерный транзистор Т1,  который  выполняет логическую функцию  И,  фазоразделяющий каскад  на транзисторе VT2 и резисторах R 2,  RЗ, Входной каскад на транзисторах VT3 и VT4, диоде VD3, резисторе R 4.

При подаче на вход сигнала низкого уровня UBK = U° транзистор VT2 будет закрыт. Ток эмиттера транзистора VT2, который делится между резистором R3 и базой транзистора VT4, равняется нулю, поэтому транзистор VT4 будет закрыт. Уровень напряжения на коллекторе VT2 (Uk2= Vи.п.)  достаточный для отпирания транзистора VT3. В цепи базы VT3 протекает ток от источник питания через резистор R2. Транзистор VT3 открыт.

На выходе ЛЭ напряжение

При подаче на все входы ЛЭ напряжения высокого уровня многоэмиттерный транзистор VT1 будет находиться в инверсном активном режиме, в  базу VT2 потечет ток, VT2 отопрется, потенциал коллектора VT2 уменьшается и транзистор VT3  закроется. Часть эмиттерного тока VT2 поступает в базу транзистора VT4, этот транзистор отпирается и входит в режим насыщения.  Выходное напряжение имеет низкий уровень.

         Потенциал базы транзистора VT l определяется суммой падения напряжения  на  трех открытых переходах: коллекторном VT l , эмиттерном VT2, эмиттерном VT З. Поэтому для отпирания VT2 это напряжение должно быть UB] > 3U   = 2,4 В. Процесс переключения транзисторов VT3 и VT4  начинается одновременно, поэтому  некоторое время оба транзистора открыты и через них протекает импульс сквозного тока, величину которого ограничивает резистор R4 (50...150 Ом). Этот же резистор защищает схему от случайного короткого замыкания  выхода ЛЭ на общую шину. Резко уменьшение напряжения Uвых в сочетании с импульсом сквозного тока возбуждает цикл затухающих колебаний в паразитных индуктивностях и емкостях схемы и соединительных проводников Эти  импульсы могут вызывать ложное срабатывание подключенных к выходу логических элементов. Для предотвращения этого, ко входам ЛЭ  ТТЛ  подключены демпфирующие «антизвонные »диоды VD1 и VD2. В нормальном состоянии диоды VD1 и VD2 закрыты, но с появлением отрицательного полупериода затухающих колебаний открываются и ограничивают эти импульсы на уровне U*, тем самым предотвращают дальнейшие колебания.

Логические уровни ЛЭ ТТЛ-типа: U1 = 2,4 В; U0 = 0,4В; максимально допустимая емкость нагрузки Сн = 200 пФ.

         ТТЛ с структурами Шоттки (ТТЛШ).

Как отмечалось ранее, значительную часть длительности  переходного процесса при запирании биполярного транзистора составляет процесс рассасывания заряда неосновных носителей. Для предотвращения  этого между базой и коллектором биполярного транзистора  включается диод

Шоттки (переход металл – полупроводник). В процессе отпирания транзистора  потенциал коллектора снижается и становится отрицательным относительно потенциала базы. Когда разность потенциалов базы и коллектора достигнет Uдш  ( где Uдш- прямое падение напряжения на диоде Шоттки). Отпирается диод Шоттки и напряжение между базой и коллектором фиксируется на уровне Uдш.. Величина Uдш. равняется 0,3…0,45В. Поэтому коллекторный переход остается практически запертым. Если коллекторный переход при отпирании транзистора не переходит в открытое состояние, накопление инжектированных  неосновных носителей в области коллектора не происходит и продолжительность процесса рассасывания сокращается. Электрическая схема логического элемента  транзисторно-транзисторной логики Шоттки (ТТЛШ) представлена на рисунке 2.

 

                    Рисунок 2. Схема базового элемента ТТЛШ.

 Все транзисторы этой схемы, кроме транзистора VT5, имеют структуру с переходом Шоттки. Транзистор VT5 имеет обычную структуру ,так как он не переходит в режим насыщения.

Благодаря резкому сокращению времени рассасывания заряда неосновных носителей , быстродействие ЛЭ ТТЛШ  в несколько раз выше, чем в ЛЭ ТТЛ.

Для улучшения параметров в современных ЛЭ ТТЛШ вместо МЭТ для реализации логической функции применяют входные каскады.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57851. Iнтегрований урок з читання, математики, Я i Украiни з використанням комп’ютерних технологiй. Тварини Лiсу 64.5 KB
  Мета: Вдосконалення техніки читання, вмiння складати схеми, речення, працювати з геометричним матеріалом, повторити калiграфiчне написання цифри 4, повторити таблицю додавання i вiднiмання числа 4, складання і розв’язування задачі.
57852. Уравнения. Угол. Многоугольники 48.5 KB
  Ожидаемые результаты: учащиеся должны решать уравнения на основе зависимости между компонентами при сложении и вычитании; уметь распознавать углы биссектрису угла строить углы с помощью транспортира решать задачи с помощью полученных знаний об углах...
57853. Дихання. Значення дихання. Органи дихання 211 KB
  Формувати знання та поняття у учнів про дихальну систему людини; ознайомити із диханням як процесом необхідним для життя; показати особливості та взаємозвязок будови та функцій органів дихання; розглянути складові частини системи...
57854. Половое размножение. Строение и разнообразие цветков 56 KB
  Разнообразием и классификацией цветков и растений в зависимости от строения цветка; симметрией цветков. Концепция: дать определение цветка. Рассмотреть строение цветка и функции отдельных элементов.
57855. Расселение растений в природе. Взаимодействие растений, грибов, бактерий и их роль в экосистемах 38 KB
  Мотивация учебной деятельности: А Проблемный вопрос: Почему необходимо изучать влияние факторов среды на организмы Анализ схемы Антропогенные нагрузки на экосистемы...
57856. Способи розмноження рослин 179.5 KB
  Основні поняття і терміни: нестатеве вегетативне статеве розмноження спора гамета сперматозоїд яйцеклітина зигота гаплоїдний і диплоїдний набір хромосом мітоз мейоз.
57857. Значення сенсорних систем в психології та медицині 93.5 KB
  Цілі та завдання: узагальнити знання про будову сенсорних систем принцип структури та функції аналізаторів; з‘ясувати значення органів чуття для психології та медицини формувати науковий світогляд виховувати в учнів культуру здоров‘я як складову загальної культури людини.
57858. Дослідження різних видів пам’яті 121 KB
  Мета: ознайомити з основними видами пам’яті; розкрити фізіологічний механізм пам’яті; поглибити знання учнів про шкідливий вплив алкоголю, нікотину, наркотичних речовин на пам’ять; усвідомити можливість розвитку пам’яті.
57859. Різноманітність грибів, їх роль у природі, житті та господарській діяльності людини 183.5 KB
  Мета уроку: познайомити учнів з різноманітністю грибів показати їх роль в природі житті та господарській діяльності людини; вчити дітей розпізнавати різні гриби розвивати навички роботи з додатковою літературою...