5.2.5 Модификации базовых элементов

Первые ТТЛ микросхемы оказались на редкость удачным решением, поэтому их можно встретить в аппаратуре, работающей до сих пор. Это семейство микросхем серии К155. Стандартные ТТЛ микросхемы - это микросхемы, питающиеся от источника напряжения +5В. Зарубежные ТТЛ микросхемы получили название SN74. Конкретные микросхемы этой серии обозначаются цифровым номером микросхемы, следующим за названием серии. Например, в микросхеме SN74S00 содержится четыре логических элемента "2И-НЕ". Аналогичные микросхемы с расширенным температурным диапазоном получили название SN54 (отечественный вариант - серия микросхем К133).

Отечественные микросхемы, совместимые с SN74 выпускались в составе серий К134 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74L), К155 (среднее быстродействие среднее потребление - SN74) и К131 (высокое быстродействие и большое потребление). Затем были выпущены микросхемы повышенного быстродействия с диодами Шоттки. В названии зарубежных микросхем в обозначении серии появилась буква S. Отечественные серии микросхем сменили цифру 1 на цифру 5. Выпускаются микросхемы серий К555 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74LS) и К531 (высокое быстродействие и большое потребление - SN74S).

В настоящее время отечественная промышленность производит микросхемы серий К1533 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74ALS) и К1531 (высокое быстродействие и большое потребление - SN74F).

За рубежом производится трехвольтовый вариант ТТЛ микросхем - SN74ALB

5.3 Ттлш-логический элемент

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).

Базовый логический элемент ТТЛШ. В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29,а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.29,6. Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. Транзистор VT4 — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения Uвх1 и Uвх2 имеют высо­кий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отме­тить, что транзисторы VT3 и VT4 образуют так называе­мый составной транзистор (схему Дарлингтона). Амплитудно-передаточная характеристика. При нулевом напряжении на входе элемента ТТЛ выходное напряжение соответствует высокому логическому уровню U1вых (точка А). Увеличение входного напряжения до величины 1,1 В соответствует  закрытому  состоянию сложного инвертора и практически не  изменяет  напряжение  на выходе элемента.  При напряжении на входе более  1,1 В (точка В) начинает открываться транзистор VT2, а транзисторVT4 остается закрытым, т.к. его переход база-эмиттер  шунтируется резистором R3. Увеличение тока через транзистор VT2 вызывает увеличение падения напряжения на резисторах R2 и R3. Выходное напряжение эмиттерного повторителя VT3 (т.е. выходное  напряжение  ТТЛ элемента) уменьшается с ростом падения напряжения на R2  (участок В-С).

Увеличение падения напряжения на R3 до 0,5..0,6 В приводит к открыванию транзистора VT4 (см. точку С). Все  транзисторы переходят в активный режим. Малые изменения входного напряжения ( Uвх) вызывают значительное уменьшение выходного  напряжения ( Uвых). На участке C-F  логический  элемент  работает  как аналоговый усилитель с коэффициентом усиления по напряжению:   Ku =  Uвых /  Uвх. Большинство реальных ТТЛ элементов имеют коэффициент  усиления Ku в пределах от 5 до 20.  Правее точки F, когда увеличение входного  напряжения  приводит к насыщению транзисторов VT2 и VT4, дальнейшее изменение  выходного напряжения происходить не может. Этот  уровень  выходного напряжения называется логическим нулем ТТЛ  элементов  и  составляет :   U0вых = 0,1...0,4 В.     Точка D, лежащая  на  пересечении  передаточной характеристики с биссектрисой первого квадранта (т.е.  с  прямой, на которой : Uвых = Uвх), определяет пороговый  уровень  напряжения Uпор (примерно 1,3..1,4 Вольта), разделяющий низкий  и  высокий логические уровни.     Расстояния между низким логическим уровнем ТТЛ  (U0 = 0,4 В) и пороговым напряжением (Uпор = 1,3 В), а также между высоким логическим уровнем ТТЛ (U1 > 3 В) и пороговым напряжением называются  ЗАПАСОМ  ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ.  Этот  запас  определяет  максимальное напряжение помехи на входе элемента, не изменяющее  логическое состояние выхода.

Для ТТЛШ элементов характеристика имеет аналогичный характер за исключением того, что выходное напряжение  логического нуля  U0вых = 0,4..0,6 В, что является н едостатком (следствие, уменьшенный на 0,2 Вольта запас помехоустойчивости).

Рассмотрим наиболее важные из параметров. Быстродействие характеризуют временем задержки распространения сигнала tзр и максимальной рабочей частотой Fмакс. Обратимся к идеализированным временным диаграммам, соответствующим элементу НЕ (инвертору) (рис. 3.24). Через Uвх1 и Uвых1 обозначены уровни входного и выходного напряжений, соответствующие логической единице, а через Uвх0 и Uвых0 — соответствующие логическому нулю. Различают время задержки tзр10 распространения при переключении из состояния 1 в состояние 0 и при переключении из состояния 0 в состояние 1 — tзр01,а так­же среднее время задержки распространения tзр, причем   Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5DUвхи 0,5DUвых. Максимальная ра­бочая частота Fмакс — это частота, при которой сохраня­ется работоспособность схемы. Нагрузочная способность характеризуется коэффици­ентом объединения по входу Коб и коэффициентом развет­вления по выходу Краз (иногда используют термин «коэффициент объединения по выходу»). Величина Коб — это число логических входов, величина Краз — максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемен­та. Типичные значения их таковы: Коб = 2...8, Краз = 4...10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью Краз = 20...30.  Помехоустойчивость в статическом режиме характери­зуют напряжением Uист, которое называют статической по­мехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логичес­кого элемента. Важным параметром является мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность раз­лична для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний. Важными являются также следующие параметры: напряжение питания; входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня Uвх 1порог и Uвх 0порог,   соответствующие изме­нению состояния логического элемента; выходные напряжения высокого и низкого уровней Uвых1  и  Uвых0