1. Транзисторно-транзисторная логика (ттл)

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Рис. 6.1. Многоэмиттерный транзистор: а) диодная сборка; б) условное обозначение МЭТ.

Особенностью микросхем ТТЛ является наличие во входной цепи многоэмиттерного транзистора. Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) представляет собой интегральный элемент с несколькими (до 8) эмиттерными переходами.
МЭТ, условное обозначение которого приведено на рис. 6.1, реализует функцию И диодной сборкой (рис. 6.1,а).

Рис. 6.2. Двухвходовая схема ТТЛ.
Типовая двухвходовая схема ТТЛ 2И-НЕ приведена на рис. 6.2. Число эмиттеров МЭТ равно числу входов.
Уровнем логического нуля в ТТЛ является потенциал нулевого провода, т.е. физический нуль, а уровнем логической единицы – напряжение питания + Е_К.
Схема содержит многоэмиттерный транзистор VT1, выполняющий совместно с R1 логическую функцию 2И, фазорасщепляющий каскад на VT2 и сложный инвертор на транзисторах VT3 и VT4.
Фазорасщепляющий каскад открывает только один из последовательно соединённых транзисторов: либо VT3, либо VT4, обеспечивая тем самым на выходе либо логическую единицу, либо логический нуль.
При этом сложный инвертор, в котором один из транзисторов VT3 либо VT4 всегда закрыт, не потребляет энергию.
Схема работает следующим образом.
Входная цепь R1, VT1 является несимметричным разветвляющим соединением: одна ветвь содержит один переход (эмиттерный переход VT1), а вторая – три (коллекторный VT1, эмиттерный VT2 и эмиттерный VT4). Из-за этой несимметричности ток базы VT1 может протекать только по одной из двух цепей: либо через эмиттеры, либо через коллектор VT1.
Напряжение питания Е_К совместно с R1 образуют источник тока. Этот ток может протекать либо по цепям эмиттеров VT1, либо по цепи коллектора в зависимости от состояний входов х₁ и х₂.
При обоих единичных входах х₁ = 1 и х₂ = 1 эмиттерные переходы VT1 закрыты. Поэтому ток базы VT1 через его коллекторный переход втекает в базу транзистора VT2, открывая его. Тогда эмиттерный ток транзистора VT2, втекая в базу VT4, открывает и его.
Таким образом, при всех единичных входах транзисторы VT2 и VT4 всегда открыты. При этом низкий потенциал коллектора VT2 закрывает транзистор VT3. Тогда закрытий транзистор VT3 отключает выход у от напряжения Е_К, а открытый транзистор VT4 подключает выход у к нулю.
Так, при всех единичных входах х₁ = 1 и х₂ = 1 выход у = 0.
Если хотя бы к одному входу поступает логический нуль, т.е. х₁ = 0; х₂ = 1, или х₁ = 1; х₂ = 0, или х₁ = 0; х₂ = 0, то хотя бы один или все эмиттерные переходы VT1 открыты и ответвляют на себя ток базы VT1. Базы VT2 и VT4 обесточены, из-за чего транзисторы VT2 и VT4 закрыты. Единичный потенциал коллектора VT2 открывает транзистор VT3.
Закрытый транзистор VT4 отключает выход у от нуля, а открытый транзистор VT3 подключает у к напряжению Е_К, т.е. к логической единице.
Таким образом, при хотя бы одном входе под логическим нулём на выходе будет логическая единица у = 1.
Схема реализует логическую функцию 2И-НЕ (табл. 6.1).
Что касается диодов VD1 и VD2, то они защищают входы схемы от переполюсовки напряжения, а диод VD3 в эмиттере транзистора VT3 способствует его закрыванию.

Рис. 6.3. ТТЛ - инвертор.

Таблица 6.1. Х1 Х2 Y 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0

Эмиттеры МЭТ VT1 можно соединять между собой, уменьшая при этом число переходов (диодов) на входе микросхемы. Так, если соединить все эмиттеры между собой, то можно получить одноэмиттерный транзистор.

Типовой инвертор ТТЛ или логическая схема НЕ приведена на рис. 6.3.
Сопоставляя схему 2И-НЕ (рис. 6.2) со схемой инвертора (рис. 6.3), убеждаемся в том, что они отличаются только числом входов (эмиттеров VT1). Поэтому принцип действия этих схем один и тот же.
Диоды VD1, VD2 в схеме (рис. 6.2) и VD1 в схеме (рис. 6.3), то они необходимы для следующего.
Входные цепи рассмотренных схем имеют распределённые ёмкости и индуктивности. Поэтому при действии на входе импульсных сигналов могут возникнуть дребезги со значительными отрицательными выбросами, губительными для схемы. С целью ликвидации этих выбросов каждый вход элемента ТТЛ соединяют с общим проводом через диод VD, как показано на рис. 6.3. Этот диод снижает отрицательный выброс до безопасного напряжения – 0,7 В.
Следует особо предупредить, что из-за двухтактности выходной цепи соединение выходов элементов (монтажное ИЛИ) недопустимо.
Это объясняется тем, что соединённые по выходам инверторы находятся в разных состояниях. Поэтому через открытые транзисторы VT3 одного из них (рис. 6.2, рис. 6.3) и VT4 другого потечёт недопустимо большой ток, который может вывести из строя соединённые микросхемы.
Эту проблему можно решить использованием логического элемента с так называемым открытым коллектором.

Рис. 6.4. Логический элемент с открытым коллектором: а) упрощенная схема; б) условное обозначение.

Схема такого логического элемента содержит на выходе транзистор VT с “оборванным” коллектором (рис. 6.4).

Упрощённая схема логического элемента с открытым коллектором и его условное обозначение приведены на рис. 6.4. Схема
содержит в своём составе логический элемент (в нашем случае это схема 2ИНЕ), выход которой подключён к базе транзистора VT (рис. 6.4,а). Коллектор транзистора является выходом у.

Рис.6.5. Схема монтажного И.
Такой выходной каскад (без сопротивления нагрузки в коллекторной цепи) не может сам собой сформировать на выходе у высокий уровень напряжения. Для этого к выходу у внешним монтажом подключается сопротивление R_н, носящее название подтягивающего. Сопротивлением R_н может быть любая внешняя нагрузка: реле, светодиод и др.
Кроме схемотехнических возможностей логические элементы с открытым коллектором способны реализовать дополнительно и логические операции, поскольку они допускают параллельное соединение выходов на одну общую нагрузку. Такое объединение выходов называется монтажной или проводниковой логикой, так как она создаётся внешним монтажом.
На рис. 6.5 приведена схема на логических элементах 2И-НЕ с открытым коллектором, соединение которых на выходе у совместно с R_н создают монтажное И.
На объединённом выходе у (рис. 6.5) уровень будет единичным (у = 1) лишь тогда, когда все выходы у_і будут единичными: у₁ = 1; у₂ = 1; у₃ = 1.
Если хотя бы один из элементов имеет на своём выходе низкий потенциал у_і = 0, то на объединённом выходе у уровень будет нулевым у = 0. Таким образом, выходы у_і совместно с R_н создают монтажное И:
(6.1)
Принцип монтажного И широко используется в БИС памяти, а также для построения двунаправленных числовых шин.

Преимущества и недостатки ТТЛ

Транзисторно-транзисторная логика имеет ряд преимуществ, а именно:

• 
  сравнительно малая потребляемая мощность, достигаемая усложнениеминвертора парой транзисторов VT3 и VT4 (см. рис. 6.3), работающих в фазоинверсном режиме;
  
• 
  в статическом режиме один из транзисторов VT3 или VT4 всегда открыт, благодаря чему выходное сопротивление, а следовательно и постоянная времени выходной цепи достаточно малы, что способствует повышению быстродействия;
  
• 
  в динамическом режиме, когда на время переключения одновременнооткрыты оба транзистора VT3 и VT4, малое выходное сопротивление логического элемента способствует быстрому перезаряду ёмкости нагрузки и паразитной ёмкости монтажа, обеспечивая высокую нагрузочную способность логического элемента ТТЛ.
  

К недостаткам серии ТТЛ относиться сравнительно недостаточное быстродействие, так как в статистическом режиме транзисторы в цепи сложного инвертора находятся в глубоком насыщении. Это насыщение возникает из-за излишнего входного тока, приводящего к накоплению подвижных носителей в базах транзисторов. После исчезновения входного тока для перехода транзистора в режим отсечки требуется продолжительное время для преодоления переходного процесса рассасывания накопленных носителей, когда на протяжении десятков наносекунд транзистор остаётся открытым.
Таким образом, для повышения быстродействия необходимо исключить насыщение транзисторов. Это реализуется в ТТЛ элементах с диодом Шоттки (ТТЛШ).