Устройство и принцип действия базового логического элемента И—НЕ ТТЛ

September 20, 2011 by admin Комментировать »

Любое электронное устройство независимо от назначения и степени сложности состоит из активных (транзисторы, интегральные микросхемы) и пассивных (резисторы, конденсаторы, дроссели) компонентов.

Интегральная микросхема (ИМС), или, короче, микросхема, представляет собой изделие из активных и пассивных элементов и соединительных проводников, выполненное в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла таким образом, что создается определенная электронная схема. Кристалл помещен в корпус для защиты от внешних воздействий (механических, климатических и др.). Характерная особенность ИМС — большая плотность упаковки элементов.

Наибольшее распространение имеют следующие виды ИМС:

ТТЛ — микросхемы транзисторно-транзисторной логики на биполярных транзисторах;

ЭСЛ — микросхемы эмиттерно-связанной логики на биполярных транзисторах;

МОП (или МДП) — микросхемы на полевых транзисторах структуры металл — оксид — полупроводник (металл — диэлектрик — полупроводник);

КМОП — микросхемы с симметричной структурой на полевых транзисторах р- и п-типа.

В настоящее время для любителей наиболее доступны микросхемы ТТЛ. По этой причине именно они и рассматриваются в книге.

Если в устройствах, собираемых из отдельных радиоэлементов, основным активным компонентом являются транзисторы, число которых определяет степень сложности схемы, то в устройствах на ИМС

Рис. 1.1. Логический элемент И — НЕ с выходным напряжением низкого уровня: а — принципиальная схема; б — условное графическое обозначение

На всех входах напряжение высокого уровня

эту роль выполняют логические элементы (ЛЭ). Логический элемент представляет собой электронное устройство, на входах и выходах которого сигнал может иметь только один из двух дискретных уровней напряжения: низкий или высокий. Эти уровни обычно называют логическим нулем (нулевой сигнал) или логической единицей (единичный сигнал). Выходной сигнал связан с входными сигналами определенной логической операцией

Базовые элементы разных видов микросхем (ТТЛ, ЭСЛ, МОП, КМОП и др.) в функциональном отношении различаются. Базовым считают элемент с наиболее простой структурой, на основе которого легче всего создавать другие электронные схемы. Для микросхем ТТЛ таким элементом является логическая схема И—НЕ.

Схема базового ЛЭ И—НЕ семейства ТТЛ показана на рис. 1.1 и 1.2. Он образован п — р — /г-тран- зисторами VTJ, VT2, VT3 и VT4. Транзистор VT1 устроен необычно: он имеет не один, а несколько

Рис. 1.2. Логический элемент И — НЕ с выходным напряжением высокого уровня: а — принципиальная схема; б — условное графическое обозначение

Напряжение низкого уровня хотя бы на одном входе

эмиттеров. Их число определяет число входов элемента. Выпускаются ЛЭ И—НЕ с 2, 3, 4 и 8 входами. Все входы ЛЭ И—НЕ равноценны. Мы рассмотрим простейший случай — ЛЭ с двумя входами. Кроме транзисторов элемент содержит четыре резистора и один диод. Структура реального ЛЭ отличается от изображенной на рисунке. Кроме показанных схемных элементов здесь имеются паразитные транзисторные и диодные структуры. При работе в нормальных режимах они, однако, заперты и ими можно спокойно пренебречь.

Приведенные на рисунках номиналы резисторов характеризуют так называемые универсальные (стандартные) серии ТТЛ1. В книге рассматриваются приборы только этих серий, как наиболее распространенные. Для изготовления устройств по схемам, описанным ниже, можно применять ЛЭ И—НЕ и других серий. При этом в отдельных случаях потребуется некоторое изменение номиналов навесных радиоэлементов.

При рассмотрении работы базовых ЛЭ И—НЕ сделаем следующие допущения (технически оправданные):

падение напряжения на р — /г-переходах, смещенных в прямом направлении (т. е. проводящих), неизменно и равно 0,7 В;

падение напряжения на открытом (проводящем) диоде также неизменно и равно 0,7 В;

падение напряжения на переходе коллектор — эмиттер насыщенного транзистора пренебрежимо мало;

напряжение на входе ИМС, превышающее 2 В, принято за высокий уровень и считается логической единицей

напряжение ниже 0,8 В на входе принято за низкий уровень и считается логическим нулем 2.

Рассмотрим два случая работы элемента.

А. На все входы ЛЭ И—НЕ подано напряжение высокого уровня (рис. 1.1). В этом случае на его выходе действует напряжение низкого уровня3. Это значит, что транзистор VT3 отперт и насыщен. Согласно принятому допущению напряжение на базе VT3 равно +0.7 В. Транзистор VT2, эмиттерный ток которого обеспечивает насыщение VT3 (часть этого тока протекает и через резистор R3), тоже насыщен, поэтому напряжение на его базе равно 1,4 В.

На эмиттерах транзистора VT1 высокое напряжение, на базу через резистор R1 подано напряжение

£/n = -f5B, а напряжение на коллекторе равно + 1,4 В. В этих условиях переходы эмиттер — база смещены в обратном направлении, а переход база — коллектор — в прямом, что соответствует инверсному включению транзистора. При таком включении коэффициент усиления по току очень мал. Этим объясняется тот факт, что ток, протекающий через каждый вход, невелик — около 40 мкА.

Через переход база — коллектор транзистора VT1 протекает ток

который является базовым током транзистора VT2.

Такого тока достаточно для насыщения транзистора VT2. Напряжение на коллекторе VT2 при этом будет +0.7 В. Оно запирает транзистор VT4, причем для большей гарантии добавлен диод VD1. Таким образом, транзистор VT4 выключен, а выходной ток ЛЭ равен коллекторному току транзистора VT3. Для логических элементов И—НЕ ТТЛ универсальных серий с обычной нагрузочной способностью выходной ток /вых не должен превышать 16 мА.

При напряжении высокого уровня на всех входах ЛЭ И—НЕ на выходе действует напряжение низкого уровня. Транзистор VT1 включен инверсно, VT2 и VT3 отперты и насыщены, a VT4 заперт. Входной ток ЛЭ пропорционален числу входов, а также току одного эмиттера многоэмиттерного транзистора, но не превышает 40 мкА (обычно равен 10 мкА). Входной ток «втекает»1 в ЛЭ. Максимальный выходной ток 16 мА. Он также «втекает» в ЛЭ.

Б. На один из входов или на все входы ЛЭ И—НЕ подано напряжение низкого уровня. На рис. 1.2, а показано, что один из входов подключен к шине Un, а другой к общей шине. Теперь транзистор VT1 включен нормально. Один из его эмиттеров (В) имеет более низкий потенциал, чем потенциал базы. Ток этого эмиттера является в сущности входным. Его значение определяется сопротивлением резистора R1 и не превышает 1,6 мА. Напряжения в различных точках схемы указаны на рисунке. Транзисторы VT2 и VT3 заперты (назначение резистора утечки R3 — предохранять VT3 от отпирания начальным током VT2). Транзистор VT4 отперт током, протекающим через базу и резистор R2, но при этом не насыщается. Если /вых ^ 2,3 мА, выходное напряжение высокого уровня /7вых > 2,4 В, т. е. превышает минимальное допустимое.

При напряжении низкого уровня хотя бы на одном из входов ЛЭ И—НЕ на выходе действует напряжение высокого уровня. Переход эмиттер — база транзистора VT1 смещен в прямом направлении, а переход база — коллектор — в обратном. Транзисторы VT2 и VT3 заперты, a VT4 отперт, но не насыщен. Макси м а л ь н ый входной ток 1,6 мА. Он «вытекает» из ЛЭ. Максимальный выходной ток 2,3 мА. Он также «вытекает» из ЛЭ.

Транзисторы VT2, VT3 и VT4 (рис. 1.1 и 1.2) образуют так называемый сложный инвертор. В каждом состоянии ЛЭ один из двух выходных транзисторов — VT3 или VT4 — отперт. Благодаря этому выходное сопротивление ЛЭ в обоих состояниях достаточно мало. Тем самым обеспечивается быстрый заряд и разряд паразитных емкостей, которые могут быть на выходе. Во время переключения транзисторов VT3 и VT4 из одного состояния в другое ток, потребляемый ЛЭ от источника питания, резко возрастает. Причина в том, что при переключениях оба транзистора в течение весьма короткого времени бывают отперты одновременно и ток в цепи питания ограничен только резистором R4 (около 130 Ом)1.

Сложный инвертор из двух транзисторов VT3 и VT4 имеет низкое выходное сопротивление, что обеспечивает высокое быстродействие и возможность подключения к выходу ЛЭ до 10 входов от микросхем той серии.

При переключениях каждого ЛЭ помимо роста потребления энергии возможно появление помех в шинах питания. Поэтому в цепи питания рекомендуется применять фильтры. Часто роль фильтра исполняют конденсаторы емкостью 0,01…0,10 мкФ с малой индуктивностью вводов, подключаемые непосредственно между шиной питания и общей шиной.

Источник: Димитрова М. И., Пунджев В. П. 33 схемы с логическими элементами И — НЕ: Пер. с болг. — JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. 112 е.: ил.

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты