Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ)

418 0 Новини високих технологій

У статті буде розглянуто логіки ТТЛ, яка використовується до цих пір в деяких галузях техніки. Всього є кілька видів логіки: транзисторно-транзисторна (ТТЛ), діодно-транзисторна (ДТЛ), на основі МОН-транзисторів (КМОП), а також на основі біполярних транзисторів і КМОН. Найпершими мікросхемами, які отримали широке поширення, були ті, які будувалися по ТТЛ-технологій. Але не можна обійти стороною і інші типи логіки, які донині застосовуються в техніці.

Діодно-транзисторна логіка

Використовуючи звичайні напівпровідникові діоди, можна отримати найбільш простий логічний елемент (схема наведена нижче). Цей елемент в логіці називається «2І». Коли на вхід подається нульовий потенціал (або відразу на обидва), то по резистору почне протікати електричний струм. При цьому відбувається істотне падіння напруги. Можна зробити висновок, що на виході елемента потенціал буде дорівнює одиниці, якщо такий точно подати на обидва входи одночасно. Іншими словами, за допомогою такої схеми реалізується логічна операція «2І».


Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ)
Від числа напівпровідникових діодів залежить те, скільки входів буде у елемента. При використанні двох напівпровідників реалізується схема «2І», три – «3», і т. д. В сучасних мікросхемах випускається елемент з вісьмома діодами («8»). величезний недолік ДТЛ-логіки – це дуже маленький рівень навантажувальної здатності. З цієї причини до логічного елементу необхідно підключати підсилювач на транзисторах біполярного типу. Але набагато зручніше реалізується логіка на транзисторах, що мають кілька додаткових емітерів. В таких схемах ТТЛ-логіки застосовано многоэмиттерный транзистор, а не сполучені паралельно напівпровідникові діоди. Цей елемент за принципом схожий з «2І». але на виході високий рівень потенціалу можна отримати лише в тому випадку, якщо на двох входах одночасно таке ж значення. Емітерний струм при цьому відсутня, а переходи замикаються. На малюнку приведена типова схема логіки з використанням транзисторів.


Схеми інверторів на логічних елементах

За допомогою підсилювача виходить інвертувати сигнал на виході компонента. Елементи типу «І-НЕ» позначаються в серійних мікросхемах ЛА. Наприклад, мікросхема серії К155ЛА3 має в своїй конструкції елементи типу «2И-НЕ» в кількості чотирьох штук. На базі цього елемента робиться інверторне пристрій. При цьому застосовується один напівпровідниковий діод. Якщо треба об'єднати кілька елементів логіки типу «І» за схемами «АБО» (або ж якщо потрібно реалізувати логічні елементи «АБО»), то транзистори повинні бути з'єднані паралельно в точках, зазначених на схемі. При цьому отримується тільки один каскад на виході. Логічний елемент типу «2АБО-НЕ» наведено на цьому фото:
Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ)
Ці елементи є в мікросхемах, які позначаються літерами ЛР. А от логіка ТТЛ типу «АБО-НЕ» позначається абревіатурою ЛЕ, наприклад, К153ЛЕ5. У ній вбудовано відразу чотири логічних елемента 2АБО-НЕ».

Логічні рівні мікросхем

У сучасній техніці використовуються мікросхеми ТТЛ-логікою, у яких харчування від 3 і 5 Ст. Але от тільки логічний рівень одиниці і нуля від напруги не залежить. Саме з цієї причини немає необхідності додаткового узгодження мікросхем. На графіку нижче показаний допустимий рівень напруги на виході елемента.
Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ)
Напруга в невизначеному стані на вході мікросхеми в порівнянні з виходом припустимо в менших межах. А на цьому графіку представлені межі рівнів логічної одиниці і нуля для мікросхем типу ТТЛ.
Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ)

Включення діода Шотткі

Але у простих транзисторних ключів є один великий недолік – у них є режим насичення при роботі у відкритому стані. Для того щоб надлишкові носії розсмоктувалися, а напівпровідник не насичувався, між базою і колектором виробляють включення напівпровідникового діода. На малюнку наведено спосіб підключення діода Шотткі та транзистора.
Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ)
У діода Шотткі граничне значення напруги близько 02-04 а в p-n-переходу кремнію - не менше 07 В. А це набагато менше, ніж час існування неосновного типу носіїв в напівпровідниковому кристалі. Діод Шотткі дозволяє утримувати транзистор завдяки низькому порогу відкривання переходу. Саме з цієї причини запобігає перехід тріода в режим.

Які є сімейства ТТЛ-мікросхем

Зазвичай мікросхеми такого типу живляться від джерел напругою 5 Ст. Існують зарубіжні аналоги вітчизняних елементів – серія SN74. А ось після серії йде цифровий номер, який позначає кількість і тип логічних компонентів. Мікросхема SN74S00 містить у собі логічні елементи «2И-НЕ». Є мікросхеми, у яких більш розширений температурний діапазон – вітчизняні К133 і зарубіжні SN54. Російські мікросхеми, аналогічні за складом з SN74 випускалися під позначенням К134. Зарубіжні мікросхеми, у яких енергоспоживання і швидкодію низькі, мають на кінці букву L. Зарубіжні мікросхеми з буквою S на кінці мають вітчизняні аналоги, у яких цифра 1 була замінена на 5. Наприклад, відомі всім К555 або К531. Сьогодні випускається кілька типів мікросхем серії К1533 у яких швидкодія і споживання електроенергії дуже низькі.

Логічні елементи КМОН-транзисторах

Мікросхеми, в яких є комплементарні транзистори, ґрунтуються на МОП-елементів з p - і n-канали. За допомогою одного потенціалу відкривається транзистор з р-каналом. Коли відбувається формування логічної «1», верхній транзистор відкривається, а нижній закривається. При цьому за мікросхемі струм не протікає. Коли формується «0», нижній транзистор відкривається, а верхній закривається. При цьому за мікросхемі струм протікає. Прикладом найпростішого логічного елемента є інвертор.
Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ)
Зверніть увагу на те, що в мікросхемах на КМОН-транзисторах не відбувається споживання струму в статичному режимі. Споживання струму починається тільки при перемиканні з одного стану в інше логічного елемента. ТТЛ-логіки на таких елементах відрізняється низьким споживанням енергії. На малюнку наведена схема елемента типу «І-НЕ», складеного на КМОН-транзисторах.
Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ)
На двох транзисторах вибудувана схема активного навантаження. При необхідності формування високого потенціалу ці напівпровідники відкриваються, а низького – закриваються. Зверніть увагу на те, що транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ) будується на основі роботи ключів. Напівпровідники у верхньому плечі відкриваються, а в нижньому закриваються. При цьому в статичному режимі мікросхема не буде споживати струм від джерела живлення.