3.2. Особенности логических элементов различных логик
3.2.1. Диодно-транзисторная логика
Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) – одна из первых разработок цифровых микросхем на биполярных транзисторах. Пример базового элемента микросхемы ДТЛ с выходными транзисторами предыдущего каскада показан на рис. 3.3. На схеме транзисторы VT’ и VT’’ – выходы предшествующих каскадов. Диоды VD1, VD2 и резистор R1 образуют входную логическую схему, выполняющую в положительной логике операцию И. Диод VD3 – смещающий (буферный); транзистор VT2 с резистором R3 – усилитель-инвертор.
а б
Рис. 3.3. Пример ДТЛ: а – схема, б – проходная характеристика
В некоторых типах микросхем в целях повышения помехоустойчивости ставят не один, а два буферных диода, включенных последовательно.
На схеме рис. 3.3, а показаны два входа: x1 и x2. Для увеличения числа входов подключают диоды анодами к входу EX. В этом одно из преимуществ ДТЛ-схем. Работает микросхема следующим образом: если на входах x1 и x2 логическая единица (высокий потенциал), то диоды VD1 и VD2 закрыты (так как к анодам диодов VD1 и VD2 через резистор R1 подведен высокий потенциал, приблизительно равный входному). Током, протекающим через R1 и VD3, транзистор VT2 открыт и на выходе микросхемы установится потенциал близкий к нулю. Если на одном из входов x1 или x2 нулевой потенциал, то потенциал анода VD3 и базы транзистора VT2 близок к 0 и транзистор закрыт. На выходе микросхемы будет высокий потенциал (логическая единица). Зависимость выходного напряжения от входного (проходная характеристика) представлена на рис. 3.3, б.
В целях уменьшения тока при U0вх входную цепь усложняют, добавляя транзистор VT1 (рис. 3.4), который, как эмиттерный повторитель, создает дополнительное усиление по току.
Рис. 3.4. Элемент ДТЛ с усовершенствованной входной цепью
Кроме того, за счет падения напряжения на эмиттером переходе этого транзистора повышается общая помехоустойчивость.
Благодаря тому, что транзистор VT1 находится в ненасыщенном режиме, время переходных процессов при включении и выключении логического элемента уменьшается.
Коллекторный ток, протекающий по резистору R1, создает отрицательную обратную связь по току (ООС), стабилизирующую режим транзистора VT1 при изменении температуры.
Усилитель-инвертор VT2 обладает малым выходным сопротивлением при низком выходном напряжении Uвых0 (VT2 открыт) и большим при Uвых1. А высокое Rвых ограничивает быстродействие МС, поскольку время заряда паразитных емкостей возрастает.
Для улучшения выходных характеристик логического элемента выходной каскад выполняют по более сложной схеме (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Элемент ДТЛ с улучшенным выходным каскадом
Главное достоинство такого каскада – малое выходное сопротивление в обоих состояниях (при Uвых0 и Uвых1), благодаря чему заряд и разряд паразитных емкостей в нагрузках следующего каскада протекает ускоренно. Кроме того, подобная схема имеет повышенную нагрузочную способность.
В этой схеме роль транзистора VT2 иная: если напряжение в точке Б низкое (Uб = 0), то VT2 закрыт, напряжение коллектора VT2 высокое и транзистор VT3 открыт. При этом на выходе присутствует высокий потенциал (Uвых). Если в точке Б потенциал высокий, то транзистор VT2 открыт, потенциал коллектора понижен и VT3 закрыт. А падением напряжения на резисторе R5 открыт транзистор VT4 и выход микросхемы через него соединен с общим проводом, то есть выходной потенциал равен 0.
В моменты переключений VT3 и VT4 на короткое время оказываются открытыми. Резистор R6 ограничивает броски тока в эти моменты. Диод VD4 – смещающий диод, который обеспечивает надежное запирание транзистора VT3 при открытом VT4.
Пример конкретной микросхемы ДТЛ – шестивходовый элемент И типа 109ЛИ1 (рис. 3.6), который часто используется в качестве магистрального усилителя в сочетании с микросхемами серий 155 и 133 ТТЛ [9].
Верхнее плечо выходного каскада образовано парой транзисторов (VT3 и VT4), включенных по схеме Дарлингтона, что обеспечивает низкое выходное сопротивление микросхемы.
Микросхема хорошо работает при нагрузке 75 Ом, обладает хорошей помехоустойчивостью – 0,7 В, задержка распространения <50 нс и мощность потребления <130 мВт.
Резистор R6 обеспечивает прохождение обратного тока Ik0 транзистора VT4. Это типовое решение в схеме Дарлингтона.
Рис. 3.6. Шестивходовый элемент И ДТЛ