ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ТТЛ) ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

Цель работы – изучение входных, передаточных и выходных характеристик ТТЛ-схем.

Основой кремниевых транзисторно-транзисторных логических (ТТЛ) интегральных схем (ИС) является ТТЛ-элемент, упрощенная принципиальная электрическая схема которого представлена нa рис. 5.1, а. В свою очередь, основой ТТЛ-элемента является интегральный многоэмиттерный транзистор VT1– (МЭТ), выполняющий логическую функцию «И». Каскад на транзисторе VT2 выполняет функцию ключа-инвертора, так что в целом схема ТТЛ реализует функцию «И-НЕ».


а)	б)
Рис. 5.1. Схемы: а – основного элемента ТТЛ приа_I _МЭТ < 1, б – приа_I _МЭТ @ 1

Рассмотрим работу схемы ТТЛ (рис.5.1, а). Подадим на все входы МЭТ напряжение логической единицы @Е_К, кроме одного входа – вх₁, на который подадим напряжение логического нуля U ⁰, что обусловит прямое смещение перехода эмиттер-база транзистора.

Напряжение прямосмещенного р-n-переходав диапазоне рабочих токов слабо зависит от тока. Далее напряжение такого открытого кремниевого р-n-перехода будем обозначать как U* и считать постоянной величиной, примерно равной 0, 7В. Ток входа I_ВХ1⁰ МЭТ будет вытекающим (Рис.5.2, а) и равным

I_ВХ1⁰= - (Е_К-U_БЭ-U_ВХ1) / R_Б = - ( Е_К -U*-U ⁰) / R_Б, (5.1)

где обычно для стандартных ТТЛ-схем U ⁰ = 0, 2 - 0, 4В. В таком режиме переходы коллектор-база МЭТи эмиттер-база VT2 будут смещены прямо, но на каждом из них прямое смещение будет меньше U*, и в цепи коллектор – база МЭТбудет протекать незначительный ток. Поскольку для МЭТ выполняется условие: ток I_К1»0, а ток I_Э> 0, то МЭТ находится в насыщении (U_КЭ_МЭТ» 0) и низкий потенциал U_ВХ = U ⁰, практически, полностью приложен к переходу база-эмиттер VT2. Поэтому можно считать, что ток базы транзистора VT2 близок к нулю и транзистор VT2 закрыт. Реализуется высокий уровень потенциала (U ¹) на выходе ТТЛ (Рис.5.2, б)

U_ВЫХ= U ¹= Е_К –I_К0R_К@ Е_К. (5..2)


а)	б)

Рис.5.2. Входная (а) и передаточная (б) характеристики ТТЛ-элемента

По мере увеличния напряжения на входе “1” МЭТ входной ток (I_ВХ)уменьшается в соответствии с уравнением (1)и по достижении_Х ~ U* =0, 7В транзистор VT2 начинает открываться, при этом возникнет ток базы VT2, протекающий через прямо смещенный коллекторный переход транзис-тора МЭТ. Входной ток - ток эмиттера МЭТначнет существенно уменьшаться (рис.5, 2, а, линия “а ”). С этого момента потенциал базы транзистора МЭТостается почти постоянным и равным U_БЭ2+U_БК1»2U*. Если напряжение на входе схемы будет больше 2U*, то эмиттерный переход МЭТсместится обратно, и транзистор МЭТперейдет в инверсный активный режим работы. Входной ток будет втекающим и равным

I_ВХ1¹= а_I I_Б2= (Е_К-2U_БЭ) / R_Н.(5.3)

Поскольку обычно а_I _МЭТ < 1, то I_ВХ1¹бывает достаточно малым (линия “а ” рис.5, 2, а ).

Если а_I @ 1, то это приводит к существенному увеличению I_ВХ1¹(линия “б ” рис.5, 2, а ), и как следствие, – приводит к резкому снижению нагрузочной способности ТТЛ при U_ВЫХ =U ¹. В этом случае необходимо уменьшить а_I _МЭТ. Это достигается либо обеспечением необходимого профиля примеси в базе МЭТ в процессе диффузии при создании транзистора, либо путем уменьшения прямого смещения U_{БК МЭТ}, и, следовательно, снижения инжекции данного р-n-перехода. Для этого в цепь базы МЭТ вводят дополнительное сопротивление R_Б¢ и выполняют шунтирование последовательно включенных R_Б¢ и p-n-перехода БК МЭТ прямо смещенным диодом VD (рис. 5.1, б). Таким образом, U_{БК МЭТ} = U* – I_Б R_Б¢ < U*.

Передаточная характеристики схемы ТТЛ представлены на рис. 5.2, б. При U_ВХ > U* транзистор VT2 из закрытого состояния переходит в активный режим, а затем в насыщение, и на выходе формируется уровень низкого потенциала U ⁰ = U_КЭН .

Выходная характеристика схемы (I_ВЫХ= f (E_Г¢ )) (рис. 5.3, а) подобна характеристике каскада - ключа (см. лаб. раб. №1) и имеет две ветви. При U_ВХ =U ⁰транзистор VT2 закрыт, и наклон характеристики определяется сопротивлением R_K.


а)	б)
Рис.5.3. Выходные характеристики ТТЛ-элемента – а); подключение нагружающих схем – б)

При U_ВХ=U ¹транзистор VT2 насыщен и наклон выходной характеристики определяется сопротивлением растекания r_к_s коллектора VT2. При больших выходных токах транзистор VT2 может выйти из насыщения. В таком случае он является генератором тока и наклон выходной характеристики определяется сопротивлением R_К. Данный режим не должен являться рабочим.

Рассмотрим нагрузочную способность схемы. Логический элемент, как правило, нагружен на несколько (п) себе подобных элементов (рис. 5.3, б) . При этом в состоянии U_ВЫХ=U ¹ все подключенные эмиттеры транзисторов МЭТ нагружающих схем – смещены обратно. Ток, ответвляющийся в такую нагрузку, незначителен – нагрузочная способность высокая.

При состоянии U_ВЫХ=U ⁰ все подключенные эмиттеры МЭТ транзисторов нагружающих схем – смещены прямо и имеют существенный вытекающий ток.В этом случае нагрузочная способность ТТЛ определяется условием: – транзистор VT2 должен оставаться насыщенным, и в него должны втекать токи всех эмиттерных входов. Максимальное число нагрузочных схем будет определяться условием поддержания.транзистора VT2 в насыщенном состоянии

bI_Б2 ³ I_К2 = (E_К – U_КЭН)/R_К + nI_ВХ⁰, (5.4)

где I_Б2= (E_К-2U*)/R_Б, , (5.5)

I_ВХ⁰= (E_К - U* - U ⁰) / R_Б.(5.6)

Пренебрегая U* и U ⁰по сравнению с E_Ки используя (5.4) - (5.6), получим оценочное выражение для нагрузочной способности ТТЛ –элемента

N < b - R_Б, / R_К..(5.7)

Подключение нагрузок к выходу логического элемента несколько изменяет его передаточную характеристику (на рис. 5.2, б - штриховая линия): - уровень U ¹практически не изменяется, однако. по мере уменьшения выходного напряжения до уровня U_ВЫХ =0, 7-0, 9В на характеристике возникает ступенька, связанная с появлением значительного входного тока нагрузок (эмиттеров). При этом транзистор VT2 оказывается нагруженным на низкое дифференциальное входное сопротивление ЛЭ, определяемое малым сопротивлением прямо-включенных р-п-переходов транзисторов МЭТ. По мере уменьшения выходного напряжения дифференциальное входное сопротивление ТТЛ схемы возрастает. Это вновь ведет к увеличению наклона передаточной характеристики.

В целях повышения нагрузочной способности, помехоустойчивости и быстродействия ТТЛ используется вариант схемы с усилителем мощности на транзисторах V3 и V4 (рис. 5.4, а).


а)	б)
Рис. 5.4. Электрическая схема ТТЛ с усилителем мощности (а) и с улучшенной передаточной характеристикой (б)

Если на входе схемы приложено напряжение U_ВХ =U ⁰, то транзисторы VT2 и V4 закрыты: Транзистор –V3 открыт, и на выходе формируется уровень высокого потенциала

Uвых= U ¹= E_К–I_Б3R₂ –U_БЭ3– U_D = E_К–2U*. (5.8)

Транзистор V3, работая в качестве эмиттерного повторителя, обеспечивает малое (порядка 2г_э ) выходное сопротивление схемы в состоянии Uвых=U ¹. Это позволяет уменьшить время заряда емкости нагрузки, что повышает быстродействие ТТЛ.

Если на всех входах МЭТ присутствует напряжение U_ВХ=U ¹, то транзис-торы VT2 и V4 переходят в насыщенное состояние и обеспечивают Uвых= U ⁰. При этом, по сравнению с упрощенной схемой, транзистор V4 имеет более глубокое насыщение и может обеспечить большой ток нагрузки, что повышает нагрузочную способность схемы в состоянии U_ВЫХ=U ⁰. Транзистор VЗ в данном случае должен быть закрытым. Для его надежного запирания в схему введен диод VD, в результате чего выполняется условие

U_БЭ3 = U_{КБ 4} + U_{КЭН 2}– U_D » 0, 1В < U*, (5.9)

В схеме возможно состояние, когда V3 и V4 одновременно открыты. Оно реализуется в случае, когда V4 уже насыщен, а VT2 еще не вошел в насыщение. В этом случае U_БЭ3 ~ 0, 7 В, что и обеспечивает открытое состояние VЗ. При этом возникает значительный сквозной ток через транзисторы VЗ и V4. Для его ограничения используется резистор R₄@ 50 – 300 Ом.

Входная и передаточная и выходные характеристики модифицированных схемы представлены на рис. 5.5 а, б, в соответственно.


а)	б)	в)
Рис. 5.5. Характеристики модифицированной ТТЛ-схемы: а – входная; б– передаточная; в– выходные

В отличие от простой схемы в данном случае (Рис.5.4, а), чтобы перевести транзистор V1 из насыщенного состояния в инверсное, требуется напряжение U_ВХ = 2U* = U_БЭ2 + U_БЭ4. При входном напряжении U_ВХ = U* транзистор VT2 открывается и переходит в область активного режима. При этом V4 еще закрыт, поскольку U_БЭ4< 0, 7В, и формируется участок сравнительно медленного изменения выходного напряжения на передаточной характеристике (рис 5.5, б, сплошная линия). При достижении U_ВХ = 2U* транзистор V4 открывается и переходит в активную область работы, а затем в насыщение. Формируется круто падающий участок передаточной характеристики.

Наличие участка с медленным спадом выходного напряжения на передаточной характеристике снижает.помехоустойчивость схемы. Для повышения помехоустойчивости вместо резистора R₃ используется нелинейный элемент, состоящий из резисторов R₄, R₅и транзистора V5 (рис. 5.4, б).Это приводит к тому, что только при увеличении U_ВХ до 2U* транзисторы VT2 и V4 одновременно открываются и переходят в насыщение. Передаточная характеристика для такой модификации показана на рис. 5.5, б штриховой линией. Данная модификация является базовой для микросхем серии К155.

Выходные характеристики модифицированной схемы представлены на рис. 5.5, в. Рабочий участок, соответствующий Uвх= U ⁰, простирается от 2, 4 до 3, 6 В и имеет малое дифференциальное сопротивление, определяемое прямо смещенными переходами VЗ и VD. Максимальный рабочий ток достигает 10 мА.
При увеличении выходного тока транзистор V3 входит в насыщение и наклон выходной характеристики определяется величиной R2ú ú R4.

Ветвь выходной характеристики, соответствующая U_ВХ = U¹, определяется насыщенным транзистором V4, и при U_ВЫХ= 0, 4В ток I_ВЫХ может достигать 30мА.

Для повышения быстродействия в схеме вмecто обычных используются транзисторы Шоттки. Этим исключается введение транзисторов в глубокое насыщение. Такая схема носит название ТТЛШ.

Особенностью ТТЛ-элемента является то, что логическая функция “И” обеспечивается многоэмиттерным транзистором, все эмиттеры которого расположены в одной базовой области (рис. 5.6). Это позволяет существенно экономить площадь, занимаемую логическим элементом на кремниевой пластине. Однако в такой конструкции возникают боковые n-р-n-транзисторные структуры, обусловленные передачей неосновных носителей

Рис.11.6. Конструкция многоэмиттерного транзистора

заряда между соседними эмиттерами. Боковой транзистор проявляет себя в процессе работы схемы при сочетании U_Э!=U ¹, U_Э2= U ⁰.При этом, например, р-n-переход БЭ2 (рис. 5.6) оказывается смещенным прямо и является эмиттером бокового транзистора, а р-n-переход БЭ1 смещен обратно и выполняет функцию коллектора бокового n-р-n-транзистора. Боковой транзистор увеличивает входной ток логического элемента при U_ВХ = U¹на величину

I_Э1=a _бок × I_Э2 = a _бок (Е_К- U_БЭ) ¤ R_Б( 5.10)

Это может существенно снизить нагрузочную способность схемы при U_ВХ = U¹. Для уменьшения эффективности бокового паразитного транзистора стремятся уменьшить a _бок до малых значений путем увеличения расстояния между эмиттерами (W_БОК).

Адание

В ходе домашней подготовки к выполнению работы нужно ознакомиться с принципами работы изучаемых типов схем, с конструкцией и режимами работы многоэмиттерного транзистора, а также транзисторных ключей в усилителях мощности, понять назначение всех элементов схем и их влияние на основные эксплуатационные характеристики ТТЛ.

Для студентов III курса

Контрольные вопросы

1. Поясните каково назначение многоэмиттерного транзистора.

2. Показать, чем определяются особенности входной характеристики
схемы ТТЛ.

3. Оьясните, в чем суть работы усилителя мощности, какими факторами определяется нагрузочная способность ТТЛ.

4. Обьясните какими конкретно факторами определяется длительность переднего фронта и заднего фронта при передачей ТТЛ прямоугольного импульса.

В процессе выполнения работы при изучении схемы ТТЛ с усилителем мощности:

1. Исследуйте входную характеристику ТТЛ. Определите входные токи (I_ВХ ⁰, I_ВХ¹ = f (Uвх), напряжение U_ВХ^*, соответствующее порогу переключения ЛЭ.

2. Исследуйте передаточную и выходные характеристики схемы ТТЛ (не превышать допустимых паспортных данных по току! ).

1. Определите допустимый уровень статической помехи UП⁺, UП^–.

3. Проведите эксперемент по исследованию быстродействия ТТЛ при работе его на емкостную нагрузку (Сн = 1000 пF).

Для студентов IVкурса

Контрольные вопросы

2. Каково назначение МЭТ в схеме ТТЛ? Какой схемой можно заменить МЭТ?

Укажите приемущества и недостатки.

2. Поясните, какими факторами определяется нагрузочная способность схемы простого ТТЛ.

3. Что приводит к уменьшению а_I МЭТ, с чем это физически связано?

4. Почему и в каких областях напряжений введение R¢ Б и VD изменит входную характеристику МЭТ?

5. Как, используя технологические и топологические приемы, уменьшить а_I МЭТ и а _БОК МЭТ?

В процессе выполнения работы при изучении простейшей схемы ТТЛ:

1. Исследуйте входные характеристики схемы ТТЛ (Рис. 11.1, а, б) при включенном и выключенном диоде VD. Обратие внимание на их различия. Определите значение R._Б., а_I _МЭТ.

2. Исследуйте передаточные характеристики схемы для двух состояний диода VD – (включенном и выключенном). Определите напряжение переключения логических элементов, а также допустимый уровень статической помехи U_П⁺, U_П^–..

3. Исследуйте выходные характеристики логического элемента.

4. Исследуйте боковой транзистор. Определите коэффициент

передачи a _бок.

Библиографический список

1. Алексенко д. Г., Шагурин И. И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь. 1982, 1990..

2. Коледов Л.А. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок –- М.: Радио и связь, 1989.

3. Николаев и Филинюк Н.А. Интегральные микросхемы и основы их проектирования – М.: Радио и связь, 1992.

Лабораторная работа № 6

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 Следующая ⇒