Транзисторно-транзисторная логика

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ; Transistor-Transistor Logic, TTL) — способ преобразования дискретной информации с помощью электронных устройств, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики). ТТЛ-принцип построения микроэлектронных схем означает, что транзисторы соединены между собой непосредственно. ТТЛ-схемы имеют большее быстродействие, чем аналогичные микросхемы, построенные по КМОП-техно-логии, однако потребляют больше электроэнергии и требуют стабильной работы источников питания.

ТТЛ применяется в персональных и промышленных компьютерах, в контрольно-измерительной аппаратуре и др. Входные и выходные цепи электронного оборудования выполняются совместимыми по электрическим характеристикам с ТТЛ. Технология ТТЛ стала известной среди разработчиков электронных систем в 1962 году, когда фирма Texas Instruments представила серию интегральных микросхем 7400. Эта серия микросхем стала промышленным стандартом. ТТЛ-микросхемы стали первыми приборами, применение которых позволило внедрить цифровые методы обработки информации для задач, ранее решавшихся исключительно аналоговыми методами.

Питание ТТЛ-схем осуществляется от одного источника напряжением + 5 В. Схема ТТЛ-элемента, выполняющая функцию И-НЕ, показана на рис. 3.4, а.

На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VТ1. (при рассмотрении принципа работы схемы, для большей наглядности двухэмиттерный транзистор можно заменить на два параллельно соединенные транзисторы, как показано на рис. 3.4, б). Если на оба эмиттера VT 1 подать напряжения высокого уровня, то эмиттерный переход транзистора окажется закрытым. При этом ток, протекающий через резистор R₁ и коллекторный переход транзистора VТ1, откроет транзистор VТ2. Падение напряжения на резисторе R_З будет достаточным для открывания транзистора VТ5. Напряжение на коллекторе транзистора VТ2 таково, что транзистор VТЗ закрыт, соответственно закрыт и транзистор VТ4. В результате на выходе элемента появится напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0. Если же хотя бы на один из входов элемента подать напряжение низкого уровня, то эмиттерный переход транзистора VТ1 откроется, а транзисторы VТ2 и VТ5 будут закрыты. Транзистор VТЗ откроется за счет тока, протекающего через резистор R₂, войдет в режим насыщения. Соответственно откроется транзистор VТ4, и на выходе элемента появится напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Следовательно, рассмотренный элемент выполняет функцию И-НЕ.

В состав микросхем серий ТТЛ входит также логический элемент И-НЕ без коллекторной нагрузки в выходном каскаде. Это так называемый элемент И-НЕ с открытым коллектором. Он предназначен для работы на внешнюю нагрузку, в качестве которой могут быть использованы электромагнитные реле, индикаторные приборы и т. д.. Кроме того, схемы с открытым коллектором применяются в шинах передачи данных в случае, когда две или более выходов подключены к одной физической линии.

Рис. 3.4. Транзисторно-транзисторная логика:

а – схема элемента ТТЛ; б – транзисторная схема, аналогичная двухэмиттерному транзистору; в – добавление диода Шоттки

для предотвращения насыщения

 

Выходной двухтранзисторный каскад создает ряд проблем. При изменении состояния на выходе на краткий промежуток времени открываются оба транзистора. Это вызывает короткий сильный импульс тока от источника питания. Величина импульса может доходить до 100 мА, что на практике служит источником помех. Поэтому часто в таких схемах прибегают к развязке схемы от шины питания при помощи конденсатора емкостью 0,01 мкФ.

Кроме того, в ТТЛ-схемах транзисторы работают в режиме насыщения, из-за чего возникает проблема, связанная с так называемым явлением накопления заряда. При этом переключение транзистора, находящегося в режиме насыщения, происходит с  задержкой в несколько наносекунд. Эффект накопления заряда устраняют введением в схему диода Шоттки, как это показано на рис. 3.4 в.

 

Эмиттерно-связанная логика

Микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) являются самыми быстродействующими из всех типов логик, и обеспечивается это за счет целого ряда особенностей этой логики.

Главная особенность эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), повышающая ее быстродействие, заключается в том, что схема ее логического элемента основана на дифференциальном усилителе (балансном каскаде), дифференциальном переключателе тока, два транзистора которого переключают ток и не попадают в режим насыщения. Благодаря этому значительно сокращается время выхода транзисторов логического элемента из открытого состояния и существенно повышается общее быстродействие.

На рис. 3.5 приведена принципиальная схема базового логического элемента ЭСЛ, выполняющий функцию ИЛИ-НЕ. На транзисторах VT1, VT2 и VT3 выполнен токовый переключатель, обеспечивающий получение логических функций ИЛИ-НЕ на коллекторе VT2 и ИЛИ на коллекторе VT3. В качестве источника тока в эмитторной цепи транзисторов VT1, VT2 и VT3 используется высокоомный резистор R₅. Величина тока, задаваемая этим источником, и сопротивления резисторов R ₃ и R ₄ подбираются такими, чтобы исключить режим насыщения транзисторов в открытом состоянии независимо от разброса усиления этих транзисторов, что невозможно обеспечить в обычных ТТЛ сериях (а также в рассматриваемых ниже элементах на КМОП транзисторах).

На транзисторе VT4 и диодах VD1 и VD2 выполнен источник опорного напряжения. Это напряжение, уровень которого находится примерно посередине между уровнями, соответствующими логическим 0 и 1, подается на базу транзистора VT3. Поэтому транзистор VT3 будет закрыт, если хотя бы на один из входов подано

Рис. 3.5. Схема элемента ИЛИ-НЕ эмиттерно-связанной логики

 

напряжение более высокого уровня (лог. 1) и открыт, если на всех входах имеется напряжение низкого уровня (лог. 0). Логическая информация с коллекторов VT2 и VT3 с целью увеличения нагрузочной способности логического элемента поступает на базы выходных эмиттерных повторителей, выполненных на транзисторах VT5 и VT6. Эмиттерные повторители также осуществляют смещения уровней выходных напряжений для совместимости логических элементов этой серии по входу и выходу.