Транзисторно-транзисторные логические элементы

 

В настоящее время в интегральной схемотехнике транзисторно-транзисторные логические элементы (TTL- типа) и особенно с диодами Шоттки (TTLШ - типа) являются достаточно распространенными по сравнению с другими типами логических элементов. Они представляют собой технологически улучшенный вариант элементов DTL-типа. В TTL-элементах вместо диодов используются многоэмиттерные транзисторы. Схемы простейших TTL-элементов представлены на рисунках 1.3, 1.4.

На логическом элементе, приведенном на рисунке 1.3, выполняется функция 3И-НЕ. Элемент работает аналогично DTL-элементу, только вместо диодов применяется многоэмитерный транзистор.

Рисунок 1.3 - Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ

 

TTL-элементы можно усложнять и улучшать, используя дополнительные усилители. На рисунке 1.4 показан базовый TTL-элемент с фазоинвертором, использующийся в ИС низкой и средней степени интеграции.

Рисунок 1.4 - Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ с повторителем

 

На базе элемента И-НЕ может быть построен более сложный элемент, выполняющий логическую функцию 3И-2ИЛИ-НЕ (рисунок 1.5).

В настоящее время TTL-элементы применяются практически только в "силовых" логических схемах, во входных и в выходных цепях БИС, благодаря сочетанию таких качеств как высокая нагрузочная способность и быстродействие при относительно невысоком потреблении.

Широкое распространение получили микросхемы серии ТТL с диодами Шоттки, которые обладают более высоким быстродействием и низким потреблением в сравнении с обычными ТТL-схемами.

 

Рисунок 1.5 - Электрическая схема TTL - элемента типа 3И-ИЛИ – НЕ

1.4 Комплементарные логические элементы на основе транзисторов "металл-окись-полупроводник"

 

Комплементарные логические элементы на основе транзисторов "металл-окись-полупроводник" (КМОП - типа) с индуцированными каналами разного типа проводимости обладают самыми лучшими показателями по потребляемой мощности. Схема КМОП - элемента типа И-НЕ показана на рисунке 1.6. Элемент содержит только МОП транзисторы двух типов: с индуцированным n-каналом (Т3, Т4) и с индуцированным p-каналом (Т1, Т2).

Рассмотрим принцип действия КМОП - элемента. Пусть, например, в исходном состоянии на обоих входах присутствует лог. 0. В этом случае верхние тразисторы Т1 и Т2 будут открыты, а нижние транзисторы Т3, Т4 будут закрыты. На выходе будет установлена лог. 1, но ток в микросхеме протекать не будет из-за закрытых транзисторов Т3, Т4. Если на входе Х1 присутствует лог.0, а на входе X2 - лог.1, то транзисторы Т1, Т4 будут открыты, а транзисторы Т2, Т3 - закрыты. На выходе при этом установится также значение лог.1. Смена входных сигналов приводит к смене состояний Т1, Т4 и Т2, Т3, и на выходе опять установится лог.1, но ток в схеме после переключения также равен нулю. Подача на оба входа лог.1 приводит к открытому состоянию Т3, Т4 и к закрытому состоянию Т1, Т2, при этом на выходе устанавливается лог.0, но и в этом состоянии ток в схеме также не проходит.

Следовательно, в КМОП-элементах энергия тратится только лишь во время переключений на перезаряд паразитных емкостей и емкостей нагрузки схемы. КМОП - элементы являются высокотехнологичными, так как не содержат в своих схемах разнородных элементов, таких как резисторы, диоды, биполярные транзисторы. К недостаткам КМОП - элементов можно отнести паразитное влияние p-n-p и n-p-n - переходов, которые возникают как побочные переходы в КМОП структурах, размещаемых на одной полупроводниковой подложке. Эти паразитные биполярные структуры иногда отрицательно сказываются на поведении КМОП - элементов, вызывая так называемый тиристорный эффект, искажающий передаточную характеристику элемента.

 

 

Рисунок 1.6- Электрическая схема логического элемента КМОП-типа 2И-НЕ на транзисторах с индуцированными каналами n (T3, T4)- и p (T1, T2)-типа

1.5 Контрольные вопросы

 

1 Поясните принцип действия и приведите выходные статические характеристики n-p-n биполярного транзистора.

2 Приведите основные схемы включения транзистора.

3 Чем отличаются выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме ОЭ и ОБ?

4 Приведите сравнительный анализ схем включения биполярного транзистора.

5 Какая структура и особенности работы МОП-транзистора?

6 Приведите условно-графические обозначения всех типов МОП- транзисторов и их проходные ВАХ.

7 Какое основное отличие МОП-транзистора с индуцированным каналом от МОП-транзистора со встроенным каналом?

8 Приведите сравнительный анализ частотных и временных параметров полевых транзисторов с p-n переходом и МОП-типа.

9 Биполярный транзистор с диодом Шоттки. Объясните его преимущества в ключевых каскадах.

10 Дайте классификацию логических элементов

11 Поясните принципы работы DTL-элемента.

12 Опишите таблицу истинности для элемента "исключающее ИЛИ".

13 Назовите недостатки DTL-элемента?

14 Поясните принцип работы TTL-элементов.

15 Опишите таблицу истинности для элемента 3ИЛИ-НЕ.

16 Какие недостатки характерны для TTL-элементов?

17 В чем принципиальное отличие элементов ТТL и ТТL-Шотки?

18 Поясните принцип работы КМОП-элементов.

19 От чего зависит потребляемая мощность КМОП-элемента?

20 Какие недостатки КМОП-элементов Вы знаете?

21 Какие технологические особенности присущи логическим элементам разного типа?

22 Какие устройства и органы управления содержит лабораторный стенд?

 

1.6 Краткое описание учебного лабораторного стенда "Цифровая электроника"

 

Лицевая панель стенда разбита на 11 функциональных полей. Три поля "ИС" содержат сокеты для микросхем с разным количеством выводов (16,18 и 24). Вокруг каждой сокеты расположены контакты, подключенные к соответствующим контактам сокет.

В верхней части панели расположено поле "ИНДИКАТОРЫ", содержащее 16 индикаторных светодиодов, подключенных к контактам.

В нижней части панели расположены три поля "Счетчик" (А, В и С) с индикаторами состояний, контактами и управляющими кнопками. С помощью счетчиков можно задавать четырехразрядные логические комбинации на входах изучаемых интегральных схем в ручном или автоматическом режиме. Счетчики производят счет в ручном режиме от кнопки "Счет" или от встроенного генератора прямоугольных импульсов при установке перемычки (область "Генераторы"). С помощью кнопки "Сброс" можно обнулять счетчик.

Область "Генераторы" содержит управляющие элементы и контакты, с которых можно подавать на изучаемую схему регулируемое постоянное напряжение (0-5 В), одиночные прямоугольные импульсы, либо последовательность прямоугольных или пилообразных импульсов.

Кроме того, на лицевой панели стенда расположены контакты общей шины стенда (область "Общ."), напряжения питания (область +5 В, +12 В, -12 В) и выключатель питания стенда с индикатором (область "Сеть").

 

1.7 Порядок выполнения практикума

 

В счет часов самостоятельной работы выполните следующее:

- получите от преподавателя вариант тестируемых микросхем (таблица 1) на занятии, предшествующему данному практикуму;

 

Таблица 1.1 – Типы тестируемых логических ИС

 

Вариант	Типы тестируемых микросхем
	К155ЛН1, К155ЛИ1, К155ЛА1, К155ЛП5
	К155ЛН1, К155ЛА4, К155ЛЕ1, К155ЛП12
	К155ЛН5, К561ЛА3, К155ЛЕ1, К155ЛП5

 

- изучите основы построения и принципы действия логических элементов типа НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ и исключающее ИЛИ-НЕ по основной и дополнительной литературе, приведенной в настоящем пособии;

-проработайте методические указания к настоящему практикуму;

-нарисуйте схемы включения всех предложенных к проверке микросхем, используя общепринятые, приведенные в справочниках для выполнения электрических схем обозначения логических элементов, источников питания, светодиодов, общих шин, клемм и проводников, переключателей (тумблеров) логических уровней. При этом входные логические сигналы на микросхему необходимо подавать от встроенного в стенд счетчика. Пример выполнения схемы включения показан на рисунке 1.7. Условно-графические обозначения логических элементов приведены в п.1.12 настоящего раздела.

 

Рисунок 1.7 - Пример выполнения схемы включения микросхемы

 

- составьте таблицы истинности для тестируемых логических элементов;

 

ВНИМАНИЕ!

При выполнении практикума в лабораторном классе:

Соблюдайте правила техники безопасности при работе со стендом и приборами как с электрическими установками! Сетевое питание на стенд и питание на тестируемые схемы подавайте только после полного монтажа схемы и проверки монтажа преподавателем!

 

- заполните таблицу истинности для различных логических элементов (таблица 1.2);

 

Таблица 1.2 –Таблица истинности логических элементов

 

Комбинации входных переменных	Значение выходной логической функции Y
И	ИЛИ	И-НЕ	ИЛИ-НЕ	Исключающее ИЛИ	Исключающее ИЛИ-НЕ

 

- представьте преподавателю все таблицы истинности и схемы включения, ответьте на контрольные вопросы и получите у преподавателя разрешение на проведение практикума;

- повторите методические указания к настоящему практикуму и ознакомтесь с органами управления и индикации на лицевой панели стенда и лицевой панели осциллографа;

- вставьте в сокету стенда одну из испытуемых логических микросхем типа НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ заданного преподавателем варианта в соответствии с таблицей 1;

- проверьте перемычки (электрические проводники с контактами) на отсутствие обрывов и внимательно соберите с помощью перемычек схему включения микросхемы согласно схем, составленных при подготовке к работе;

- проверьте самостоятельно монтаж схемы и представьте его для проверки преподавателю или лаборанту;

- получите экспериментально таблицы истинности, задавая на входы микросхемы поочередно все комбинации входных логических воздействий с выходов счетчиков в ручном режиме и наблюдая отклики на выходе схемы с помощью светодиодов. Сравните экспериментальные таблицы истинности с таблицами, составленными до проведения опыта;

- измерьте мощность, потребляемую микросхемой;

- определите статическую передаточную характеристику (СПХ) микросхемы в соответствии с п. 1.8 настоящего пособия;

- определите постоянные времени Т₁₀ и Т₀₁ и параметры входных и выходных сигналов по методике п.1.9;

- определите задержку распространения сигнала по методике п.1.9;

- демонтируйте схему, аккуратно сложите все проводники и компоненты и вместе со стендом передайте лаборанту;

- подготовьте отчет по практикуму и представьте его для защиты и получения зачета.