в схеме инвертора ТТЛ на рнс. 1.4, а присутствуют два вспомогательных элемента: диод VD1, защищающий вход от пробоя, и резистор R4, ограничивающий в выходном каскаде так называемый сквозной ток короткого замыкания транзисторов VT4 и VT5. Интересно, что в самых первых элементах ТТЛ диоды защиты входов отсутствовали. Однако реально оказалось, что длинные проводники печатных плат большого формата накапливают большие паразитные заряды. Эта энергия дает иа входе элемента отрицательные импульсы напряжения (при большой силе тока). Диод VD1 поглощает паразитную энергию и тем самым защищает эмиттер транзистора VT1 от пробоя.

Как было показано ранее, транзисторы VT4 и VT5 отдают и принимают выходной ток поочередно. Однако во время формирования выходных перепадов есть момент, когда оба транзистора выходного каскада ТТЛ одновременно открыты (можно сказать, полуоткрыты), поскольку один из транзисторов не успел полиостью закрыться, а другой - открыться. По-другому, VT4 и VT5 находятся оба в линейном режиме. Если считать, что суммарное сопротивление между их коллекторами и эмиттерами в этот момент составит 100...200 Ом, то без ограничивающего резистора R4 импульс тока короткого замыкания от источника питания ии.д = 5 В достигнет 25...50 мА. Если импульсные перепады будут следовать часто, выходные транзисторы быстро перегреются. Резистор R4 принимает на себя значительную часть этой мощности и защищает выходные транзисторы от перегрева.

Импульсы тока короткого замыкания, наводящие большие помехи в шинах питания, - один нз самых существенных недостатков схемотехники ТТЛ. Для уменьшения их влияния в цепях питания на печатной плате следует устанавливать керамические конденсаторы развязки с номиналами 0,1 мкФ и более.

Прежде чем изучить варианты элементов ТТЛ, рассмотрим, как определяются некоторые импульсные параметры. На рнс. 1.5, а показаны входной и выходной импульсы инвертора, а на рис. 1.5,6 дано их взаимное расположение по времени, причем показано, что выходной нмпульс Ubhx существенно задержан относительно входного Ubx. На графиках отмечено пять временных отрезков: длительности положительного и отрицательного t выходных перепадов, два времени задерж-

*за,р,ср.

Рис. 1.5. К определению импульсных параметров ТТЛ:

а -фазы сигналов инвертора; б - определение среднего времени задержки, распространения сигнала; в -то же для задержек логических перепадов

ки распространения (при включении 1зД°р и при выключении tp), а также так называемое среднее время задержки распространения выходного сигнала 1зд,р,ср. Для элементов ТТЛ первоначальной разработки интервалы времени t°p и tp были значительны из-за глубокого насыщения, в которое попадают при переключении импульсные транзисторы. На рис. 1.5,8 показано, что эти параметры отсчитываются от средних уровней импульсов Uc р. Напряжение Ucp для элементов ТТЛ без переходов Шотки равно 1,3 В, с переходами Шотки- 1,5 В.

Более общий параметр - среднее время задержки распространения

выходного сигнала 1зд,р,ср - это полусумма 1зд°р я tp Нарис. 1.5, б- это интервал между серединами импульсов. Параметр 1зд,р,ср позволяет сравнивать быстродействие любых известных логик.

Время задержки распространения при включении tp соответствует времени зарядаемкости входной цепи логического элемента. Пока входная емкость не зарядится и не будет превышен порог открывания транзистора UggO,? В, он не откроется. Аналогично время 1здр определяется скоростью разряда входной емкости: входной сигнал уже окончился, но выходной еще не нарастает, поскольку необходимо время для отекания избыточного заряда во входной цепи. Свести к нулю интервалы tp и 1здр можно, если не подавать транзисторам избыточный базовый ток насыщения.

Стимулом развития схемотехники и технологии изготовления микросхем ТТЛ за последнее двадцатилетие было прежде всего стремление сократить эти интервалы времени. Если они будут малы, выходной импульс Ubux, показанный на рис. 1.5,6, запоздает мало и среднее время задержки распространения сигнала принципиально сократится. Времена нарастания и спада перепадов выходного импульса t° и t° определяются в конечном счете силой выходного коллекторного тока и паразитными выходными емкостями транзисторов. Паразитные емкости снижают, переходя к уменьшенным физическим объемам коллекторных областей интегральных транзисторов (отметьте: плотность коллекторного тока при этом пропорционально возрастает!). Силу коллекторных и базовых токов ограничивают резисторами. Для высокоскоростных элементов номиналы резисторов приходится уменьшать, из-за чего потребляе-мая микросхемой мощность увеличивается.

1.3. ТРАДИЦИОННЫЕ СЕРИИ ТТЛ

На рис. 1.6 показаны схемы трех первоначальных элементов ТТЛ. Назовем их традиционными. Эти серии активно развивались до 1970 г. (см. рис. 1.2). Если отвлечься от номиналов резисторов, можно обнаружить, что в схеме, показанной на рис. 1.6, а, присутствует составной транзистор - эмиттерный повторитель VT3, VT4. В схемах на рис. 1.6, б, в повторитель не составной (только транзистор VT3), однако в схемы добавлен диод сдвига уровня VD4. В остальном схемы одинаковы.

На рис. 1.6, а показан мощный ключ ТТЛ, на котором основаны микросхемы, составляющие серию К131. Ее зарубежным аналогом является серия 74Н (Н - high - символ высокого быстродействия серии и наибольшей потребляемой мощности). Поскольку резисторы здесь относительно иизкоомные, элемент серии К131 имеет ток потребления 1пот

примерно 4...5 мА; его среднее время задержки распространения 1зд,р,ср=6 не. Как будет показано далее, энергия переключения для него Эпoт==Pпoт tзд,p,cp=lп Uи.a tзд,p,cp=120...150 пДж (СМ. риС. 1.2 ПряМО-

угольник МТТЛ) в настоящее время считается чрезмерно большой. Поэтому бе серии больше не развиваются. Чтобы получить импульс выходного тока, обеспечивающий наибольшую скорость зарядки выходной емкости, в схеме на рис. 1.6, а выходной эмиттерный повторитель выполнен по схеме Дарлингтона, т. е. составного транзистора.

На рис. 1.6,6 показана схема самого распространенного логического элемента - основы серии К155 и ее зарубежного аналога - серии

Входы S-

Рис. 1.6. Принципиальные схемы первичных логических элементов ТТЛ: а-МТТЛ; б-СТТЛ; е - МмТТЛ (см. рнс. 1.2)

74. Эти серии принято называть стандартными (СТТЛ). Логический элемент серии К155 имеет среднее быстродействие 1зд,р.ср=13 не и среднее значение тока потребления 1пот=1,5...2 мА. Таким образом, энергия, затрачиваемая этим элементом на перенос одного бита информации, примерно 100 пДж (см. рис. 1.2,6; прямоугольник СТТЛ).

Для обеспечения выходного напряжения высокого уровня > >2,5 В (как и в схеме на рис. 1.6, а) в схему на рис. 1.6,6 потребовалось добавить диод сдвига уровня VD4, падение напряжения на котором равно 0,7 В, Таким способом была реализована совместимость различных серий ТТЛ по логическим уровням. Микросхемы на основе инвертора, показанного на рис. 1.6,6 (серия К155), имеют очень большую номенклатуру, широко выпускаются, а серия продолжает разви1заться.

На рис. 1.6, е показан третий вариант ТТЛ первоначальной разработки - маломощный логический элемент (.МмТТЛ). Он лежит в основе отечественной серии К134 и зарубежной с названием 74L (здесь