Простейший элемент транзисторно-транзисторной логики
Схемотехнически элемент повторяет диодно-транзисторную логику, но функции диодного логического элемента и диодов связи выполняет многоэмиттерная транзисторная структура.
Особенности функционирования многоэмиттерного транзистора определяются наличием нескольких эмиттерных областей с едиными областями базы и коллектора. При этом коллекторный переход структуры собирает из базовой области подвижные носители, внесённые любым из эмиттерных переходов.
Функционально такая структура соответствует нескольким одноэмиттерным транзисторам, которые объединены базовыми и коллекторными выводами. В результате многоэмиттерный транзистор попадает в насыщение, если насыщен хотя бы один из транзисторов структуры.
Если на входах действуют потенциалы высокого логического уровня, то все эмиттерные переходы многоэмиттерной структуры VTm закрыты. Многоэмиттерная структура работает в инверсном режиме. Через коллекторный переход её протекает ток резистора Ra, формируется ток базы транзистора VT, транзистор открывается и насыщается, на выходе формируется потенциал низкого логического уровня.
Если хотя бы на одном из входов действует потенциал низкого уровня, то многоэмиттерный транзистор оказывается насыщенным. При насыщенной многоэмиттерной структуре транзистор VT не может получить втекающего базового тока и следовательно он оказывается работающим в режиме отсечки. Инвертирующий транзистор закрыт, при этом на выходе формируется потенциал высокого уровня.
Функционально логический элемент ТТЛ выполняет функцию Шеффера «И-НЕ».
Следует отметить, что простейший элемент ТТЛ получил распространение лишь на начальном уровне развития микросхемотехники, при этом основным его недостатком следует считать плохие динамические характеристики.
Так если нагрузка элемента имеет некоторую эквивалентную входную ёмкость, то заряд ёмкости нагрузки будет происходить через резистор Rк (пассивный заряд), а разряд ёмкости нагрузки через открытый транзистор VT (активный разряд).
Длительности переходных процессов при этом могут отличаться в 3-10 раз, что делает неудобным использование такого элемента при проектировании логических цепей.
Вопрос повышения быстродействия ТТЛ элемента был решён применение двухтактного выходного усилительного каскада. Сформированный ЛЭ ТТЛ получил название базового элемента ТТЛ и является основой для построения всего номенклатурного ряда ТТЛ логики.
Базовый элемент ТТЛ
Основные отличия базового элемента:
1) Наличие защитных диодов VD1, VD2 на входе. Не позволяет формировать входные сигналы отрицательной полярности и тем самым защищает многоэмиттерный транзистор.
2) Наличие двухтактного усилительного каскада R1, R2, VT1, VT2, VD позволяет резко снизить выходное сопротивление логического элемента в любом из состояний выхода. Так если инвертирующий транзистор VT закрыт (на одном или нескольких или всех входах присутствует потенциал низкого логического уровня) токи его электродов отсутствуют, следовательно, отсутствует и ток базы транзистора VT2.
При этом, транзистор VT1 открыт током транзистора Rк, а по отношению к нагрузке работает по схеме с общим коллектором, обеспечивая минимальное выходное сопротивление. Резистор R2 в коллекторной цепи при этом ограничивает максимальную величину тока нагрузки.
Если на всех входах элемента действуют потенциалы высокого уровня, транзистор VT открыт, а соответственно открыт и насыщен транзистор VT2, обеспечивающий на выходе потенциал низкого уровня, диод VD при этом предопределяет закрытое состояние VT1, поскольку разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора недостаточна для его открывания.
\Delta U\simeq 0\left [\begin{array}{ll} U_{БVT1}=U_{БЭVT2}+U_{КЭVT}\\ U_{ЭVT1}=U_{КЭVT2}+U_Д \end{array} \right ..
Передаточная характеристика базового логического элемента ТТЛ имеет следующие характерные участки:
График потребляемого тока показывает, что в ТТЛ элементах статические и динамические потребления тока различаются (при переключении ток потребления больше), поэтому ТТЛ элементы принято относить ко второму классу с точки зрения потребляемой мощности, а для надёжной работы схем на ТТЛ элементах в цепи питания необходимо предусматривать блокирующие конденсаторы номиналом 22-47 нФ на каждый корпус ТТЛ логики.
Для ТТЛ элементов:
С напряжением питания 5,0 В±10%
U^H\le 0,4 B U^П\approx 1,3\div 1,8 B U^B\ge 2,4 B \Rightarrow \Delta_П\le 0,5 B
С напряжением питания 15,0 В±10%
U^H\le 1 B U^П\approx 6\div 8 B U^B\ge 12 B \Rightarrow \Delta_П\le 3 B
Расширяемые логические элементы ТТЛ
Для увеличения логических возможностей элементов некоторые из них выполняют в расширяемом формате и имеют дополнительные выводы от точек A и B. Расширители представляют собой простейшие логические элементы, которые могут присоединяться к этим точкам.
Выходы инвертирующих транзисторов VT(1), VT(2) подключаются параллельно, логический элемент приобретает двухступенчатую структуру. В первой ступени группы входов, реализуя функцию логического умножения, определяют состояние инвертирующих транзисторов, а в дальнейшем инвертирующие транзисторы, объединённые параллельно, определяют состояние выхода.
| X1 | X2 | X3 | X4 | VT(1) | VT(2) | Y |
| 0 | 0 | 0 | 0 | x | x | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | x | x | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | x | x | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | x | • | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | x | x | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | x | x | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | x | x | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | x | • | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | x | x | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | x | x | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | x | x | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | • | • | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | • | x | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | • | x | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | • | x | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | • | • | 0 |
На принципиальных электрических схемах расширяемые логические элементы отображаются двухступенчатой структурой, причем первая ступень структуры реализует логическую операцию конъюнкции над группами входных сигналов, а вторая ступень реализует дизъюнкцию результатов конъюнкции и инверсию выхода.
Элемент с открытым коллектором
Для объединения выходов ЛЭ по схеме «проволочного «ИЛИ»», а также для подключения нагрузки с напряжением питания, отличным от напряжения питания ЛЭ могут использоваться элементы с открытым коллектором. Схемотехника элемента отличается конструкцией выходного каскада. Коллектор выходного транзистора VT2 является выходом элемента. Выходным электрическим параметром является ток транзистора. Поэтому для определения состояния выходного транзистора необходимо сформировать цепь протекания выходного тока, например, подключить резистор к соответствующему источнику питания.
ТТЛШ
Если в качестве биполярных транзисторов использованы транзисторы Шоттки, то тип логических элементов получил название ТТЛШ – наиболее распространённая логика на биполярных транзисторах в настоящее время.
| Эксплуатационная характеристика | ТТЛ | ТТЛШ |
| Быстродействие, МГц | 10 | 50 |
| Потребляемая мощность мВт/элемент | 22 | 19 |
| Задержка t01, нС | 22 | 4,5 |
| Задержка t10, нС | 15 | 5 |
| Низкий уровень, В | ≤ 0,4 | ≤0,5 |
| Высокий уровень, В | ≥2,4 | ≥2,7 |