Многоэмиттерного транзистора

На 8.26 приведена схема ТТЛ-элемента И — НЕ с простым инвертором. Операция И реализуется здесь многоэмиттерным транзистором Ti, а транзистор Г2 служит в качестве инвертора. Много-эмиттерные транзисторы легко реализуются в интегральной технологии и служат основой ТТЛ-элементов. Если на всех входах (эмиттерах транзистора 7\) действует сигнал «1» (высокий потенциал), то все переходы эмиттер — база транзистора Ti закрыты.

Неравномерность распределения базовых токов транзисторов, имеющую место в схемах с непосредственными связями на БТ, можно устранить, обеспечив раздельное питание током каждой возбуждаемой базы. Это позволило создать базовые логические элементы ДТЛ-типа с логикой на входе. Дальнейшее усовершенствование элементов ДТЛ пошло по пути использования схемных элементов, специфичных для интегрального исполнения. В следующем поколении базовых элементов ИМС диодные сборки, применяемые в качестве элементов входной логики, были заменены многоэмиттерным транзистором. Так появилось новое схемотехническое решение — ТТЛ. После того как стали очевидны недостатки И2Л в схемах с непосредственными связями, стали сочетать элементы входной логики (диоды Шотки) с инвертором инжекционного типа.

Элементы ТТЛ являются дальнейшим развитием ДТЛ. Входные диоды в схемах ТТЛ заменены многоэмиттерным транзистором, а функция диодов смещения выполняется коллекторным переходом транзистора. Изготовление многоэмиттерного транзистора ненамного сложнее изготовления обычного транзистора. Области базы и коллектора образуются для многоэмиттерного транзистора ( НО) аналогично обычному биполярному транзистору, и только на этапе последней (эмиттерной) диффузии создается не одна, а несколько областей эмиттера. Такой прибор компактнее, чем диодная сборка и два диода смещения, площадка кристалла уменьшается, что приводит к удешевлению •схемы.

^Ь Схемы ТТЛ появились в результате преобразования схем диодно-транзи-^^ сторной логики путем замены матрицы диодов многоэмиттерным транзистором, представляющим собой интегральный элемент, объединяющий свойства диодных логических схем и транзисторного усилителя.

Представленная на 4.21 схема состоит из схемы И, образованной многоэмиттерным транзистором Tt и резистором /?*, и так называемого сложного инвертора, выполняющего операцию НЕ, Рассмотрим работу названных каскадов элемента И — НЕ.

Интегральные логические элементы с входным многоэмиттерным транзистором имеют следующие типовые параметры: Е = (5 ± 0,5) Б; Р = 30 мВт; I/Lxmax « 0,3 В; Ulaxm-m = 2,3 В; /вттах = 18 мА; ^выттах = 15 мА; п = 10; т = 8; tf ж 40 не.

В промышленности для повышения нагрузочной способности логических элементов ДТЛ и ТТЛ используют схемы со сложным инвертором. Рассмотрим работу универсального логического элемента И — НЕ со сложным инвертором на выходе в интегральном исполнении ( 21.6). Операция И выполняется входным многоэмиттерным транзистором Т1. Инвертирование фазы сигнала осуществляется сложным инвертором на транзисторах Т2, Т3, Т^, питание элемента — источником постоянного напряжения Ек = 5 В. Элемент работает от входных импульсов напряжения прямоугольной формы с уровнями: U1 = 3,3 В (логическая 1), U° = 0,1 В (логический 0).

более высокое быстродействие имеют транзисторно-транзисторные ИС. На 7.13, а приведена принципиальная, а на 7.13,6 — функциональная схемы логического элемента И—ИЛИ—НЕ этого типа (микросхема К1ЛР061). В ней диодный ключ, осуществляющий операцию И, заменен многоэмиттерным транзистором; это позволяет увеличить число входов схемы до 12—14 (при использовании расширителей). Операция ИЛИ—НЕ в схеме 7.13, а производится ключом на транзисторах Т\ и Т%. При появлении высокого уровня на любом входе ключа соответствующий транзистор открывается и устанавливается низкий уровень выходного напряжения (точка В). Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе Tz с нелинейной 'нагрузкой (транзистор Т^). Использование эмиттерного повторителя с малым выходным сопротивлением позволяет логическому элементу работать при значительных нагрузочных емкостях, обеспечивая высокое быстродействие. Среднее время задержки в этих микросхемах может достигать величин порядка 10 не.

Из 11.11 видно, что совокупность входных (логических) диодов и диодов смещения, образуя встречно включенные р-п переходы, по существу соответствует структуре биполярного транзистора. Отсюда возникает возможность замены этой совокупности многоэмиттерным транзистором, выполненном в одном изолирующем «островке» полупроводникового кристалла. Воплощением этой идеи и является рассматриваемая ниже схема транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Представленная на 4.26 схема состоит из схемы И, образованной многоэмиттерным транзистором 7\ и резистором ^i( и так называемого сложного инвертора, выполняющего операцию НЕ. Рассмотрим работу названных каскадов элемента И — НЕ.

Интегральные логические элементы с входным многоэмиттерным транзистором имеют следующие типовые параметры: ?==5 ±0,5 В; /> = 30 мВт; ^ых таХ-0,3 В; f/1Bb,xmin = 2,3 В; /вттах=18 мА; 15мА; п=10; т = 8; *?«40нс.

Транзисторно-транзис торная логика (ТТЛ). Данные логические микросхемы (3.7) явились дальнейшим развитием схемы диодно-тран-зисторной логики. Они строятся на основе многоэмиттер-ных транзисторов, каждый из которых имеет обычно от двух до восьми эмиттеров, что соответствует логическим элементам И — НЕ с числом входов от двух до восьми. Если заменить р — п-переходы, входящие в структуру многоэмиттерного транзистора, эквивалентными диодами, электрическая схема практически совпадает с предыдущей схемой ДТЛ и будет работать аналогично. Интегральные микросхемы ТТЛ-типа имеют более высокое быстродействие по сравнению с ДТЛ и более экономичны. Это наиболее широко используемый в настоящее время в простых логических микросхемах тип логики, на ТТЛ-схемы приходится более 50% общего производства логических микросхем. Примером могут служить серии К106, К130, К133, К155.

Базовый элемент ТТЛ также выполняет логическую операцию И-НЕ. При низком уровне сигнала (логический нуль) хотя бы на одном из выходов многоэмиттерного транзистора VTl последний находится в состоянии насыщения, a VT2 закрыт. На выходе схемы существует высокий уровень напряжения (логическая единица). При высоком уровне сигнала на всех входах VTl работает в активном инверсном режиме, a VT2 находится в состоянии насыщения. Описанный здесь базовый элемент ТТЛ, несмотря на упрощенную технологию изготовления, не нашел широкого применения из-за низкой помехоустойчивости, малой нагрузочной способности и малого быстродействия при работе на емкостную нагрузку. Его целесообразно использовать лишь при разработке микросхем с открытым коллектором ( 5.17, б) для включения внешних элементов индикации, когда не требуется высокая помехоустойчивость и большая нагрузочная способность.

При определении U^OM схема считается переключенной, если открывается закрытый переход база — эмиттер многоэмиттерного транзистора F7\. В режиме логической единицы на входе потенциал базы транзистора F7\ относительно «земли» равен сумме напряжений на открытых переходах база — коллектор VTl и база — эмиттер VT2 и КГ4, т.е. ^6i = ^6iu + + С/6э2 + С/6э4 = 2,4 В. Тогда напряжение на закрытом переходе база — эмиттер VTV: U63l = U6l — и„. Принимая Г_/*х = 3,6 В, будем иметь [76э1 = — 1,2В.

Простейший вариант базового логического элемента ТТЛ приведен на 1.29. Схема состоит из элементов входной логики —• многоэмиттерного транзистора (МЭТ) с резистором R! в базовой цепи и инвертора, построенного на транзисторе 7\ и резисторе #2. Входы логического элемента подключены к эмиттерам МЭТ, который выполняет логическую функцию И. Выход базового логического элемента подключен к коллектору транзистора 7\. На выходе элемента ТТЛ реализуется логическая функция И — НЕ. На 1.30 показана передаточная характеристика элемента ТТЛ, на одном из входов которого создается напряжение Ult а на другом напряжение изменяется. Когда на входе имеет место напряжение ?/вх » ?/0, соответствующий эмиттерный /7-л-переход МЭТ открыт, а на его базе создается напряжение (7б1, приблизительно равное падению напряжения на открытом р-л-переходе. При этом МЭТ работает в режиме насыщения и на его коллекторе, а следовательно, на базе транзистора 7\ ^бг =•= ^вх + икэ нас < U61, где UBX ^ U0; ?/кэ нас — напряжение коллектор — эмиттер МЭТ в режиме насыщения.

Суммарный периметр структуры резко увеличивается при незначительном уменьшении площади эмиттерного д-р-перехода и допустимая плотность тока многоэмиттерного транзистора, а следовательно, и его мощность, существенно увеличиваются. Периметр каждого квадратика эмиттера составляет несколько десятков микрометров, общее число их достигает нескольких сотен. Все или группы эмиттеров имеют общие выводы. В настоящее время наиболее современными следует считать многоэмиттерные транзисторы пленарного типа.

Упрощенная электрическая схема трехвходового логического элемента И-НЕ типа ТТЛ показана на 96, а. Входами Х1, Х2 и ХЗ логического элемента являются эмиттеры многоэмиттерного транзистора VT1. Если на все в'ходы подано напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1 (например, +5 В), все эмиттерные переходы транзистора VT1 закрыты и ток от источника питания проходит через резистор Я 7 и открытый коллекторный переход транзистора VT1 в

При наличии сигнала 0 хотя бы на одном из входов элемента соответствующий эмиттерный переход многоэмиттерного транзистора VI открыт. За счет этого открыт и коллекторный переход V1 и к базе транзистора V2 приложено низкое напряжение, недостаточное для его открытия. Транзисторы V2 и управляемый им V5 закрыты. Транзистор V3 открыт за счет тока базы через R2. Также открыт и диод V4. На выходе элемента имеется высокое напряжение, соответствующее сигналу 1.

Элементы ТТЛ являются дальнейшим развитием ДТЛ. Входные диоды в схемах ТТЛ заменены многоэмиттерным транзистором, а функция диодов смещения выполняется коллекторным переходом транзистора. Изготовление многоэмиттерного транзистора ненамного сложнее изготовления обычного транзистора. Области базы и коллектора образуются для многоэмиттерного транзистора ( НО) аналогично обычному биполярному транзистору, и только на этапе последней (эмиттерной) диффузии создается не одна, а несколько областей эмиттера. Такой прибор компактнее, чем диодная сборка и два диода смещения, площадка кристалла уменьшается, что приводит к удешевлению •схемы.

Каждое условное обозначение соответствует содержимому одного корпуса интегральной схемы. Элементы /—IV ( 136) выполняют логическую операцию И — НЕ; число входов схемы равно числу эмиттеров многоэмиттерного транзистора. Элементы V—VII выполняют логическую функцию И — ИЛИ — НЕ, причем в элементе VI предусмотрено расширение по ИЛИ. Элемент VIII представляет собой четырехвходовый расширитель по ИЛИ.

Логические элементы НЕ. В простейшем случае элемент НЕ-инвертор—может быть выполнен на биполярном (или полевом) транзисторе с общим эмиттером ( 96, а). Когда на входе А действует сигнал 0, транзистор VT тока не проводит и напряжение на выходе Q максимально, практически равно напряжению источника питания и соответствует сигналу 1. Если на входе действует положительное напряжение, соответствующее сигналу 1, транзистор VT (п—р—га-типа) отпирается, переходит в режим насыщения и напряжение на выходе Q снижается до уровня 0,1—0,3 В, соответствующее сигналу 0. Таким образом, схема инвертирует входной сигнал. У рассмотренной схемы НЕ много недостатков: малы быстродействие и нагрузочная способность и весьма низка помехоустойчивость. Поэтому на практике используют более сложные схемы. В частности, на 96, б приведена схема инвертора семейства ТТЛ на основе многоэмиттерного транзистора VT1. При напряжении логического 0 на входе А

Схема логического элемента И в ТТЛ-варианте исполнения приведена на 100, б. Особенность схемы — использование на входе многоэмиттерного транзистора VT1. Если на оба входа А и В поданы напряжения логического 0, то открыты оба перехода база—эмиттер транзистора VT1 и ток проходит только через них, не ответвляясь в переход база—коллектор. Вследствие этого транзистор VT2 закрыт и на выходе Q действует нулевое напряжение. Если на один из входов подается положительное напряжение логической 1, то соответствующий переход база—эмиттер транзистора VT1 запирается. Однако основной переход база-коллектор не отпирается, ибо конструкция многоэмиттерного транзистора (и режим работы) такова, что ток в цепи база—коллектор может протекать тогда, когда оказываются запертыми все переходы база—эмиттер. Таким образом, только при одновременной подаче на оба входа напряжения логической 1 отпирается переход база—коллектор транзистора VT1, что в свою очередь приводит к отпиранию транзистора VT2 и появлению на выходе напряжения логической 1 в полном соответствии с правилом действия логического элемента И. МОП-вариант схемы логического 216