Реализация функции и-не в транзисторной и переходной схемотехниках

Реализация функции И-НЕ в транзисторной схемотехнике в базисе диодно-транзисторной логики

В транзисторной схемотехнике схема диодно-транзисторной логики (ДТЛ) выглядит, как показано на рисунке 8.1. Схема ДТЛ состоит из трех подсхем:

• • конъюнктор, реализованный диодной сборкой D_l9 D₂> i? j, количество диодов равно количеству входов вентиля;
• • инвертор с коллекторной резистивной нагрузкой Т, Я₂;
• • схема сопряжения между ними ?>₃, ?)₄, которая необходима из-за разности напряжений логических уровней; сопротивление Я₃, подключенное к источнику отрицательного напряжения питания, используется для рассасывания заряда из базы транзистора, когда он начинает закрываться, что ускоряет переходные процессы в вентиле и повышает его быстродействие.

Схема ДТЛ работает на положительной логике и выполняет логическую функцию И-НЕ.

Рис. 8.1. Схема ДТ/1 транзисторной схемотехники.

Работа ДТЛ. Напомним, что для положительной логики логическая единица стремится к максимальному положительному потенциалу схемы (напряжению питания), а логический ноль — к минимальному потенциалу схемы (нулевой потенциал шины «земля»).

К узлу С подсоединен резистор R_l9 подключенный к источнику питания то есть у точки С есть некоторый положительный потенциал, назовем его <�р_с. Необходимо подобрать питание Е_х таким образом, чтобы вентиль был работоспособен — чтобы при подаче на вход напряжения логического нуля диод в конъюнкторе мог открыться. Пусть на открытом диоде падение напряжения составляет 0,7 В. Тогда, если на вход подавать логический ноль, равный примерно 0,2 В (этот уровень напряжения снимается с выхода управляющей логической схемы ДТЛ), потенциал ф_с должен быть как минимум 0,9 В.

Первое ограничение: Е_х > 0,9 В (это напряжение логического нуля плюс падение напряжения на открытом входном диоде).

Второе ограничение: Е_х > 2,3 В (это сумма падений напряжений на открытых диодах D₃ и D₄ (0,7 В) и на переходе база-эмиттер насыщенного транзистора Т).

При подаче на входы напряжений логического нуля оба диода (?>, и D₂) будут открыты. Если диоды открыты, то от источника питания через резистор /?! течет ток в транзистор управляющей схемы. Работа вентиля ДТЛ описана в таблице 8.1.

Анализ работы вентиля ДТЛ на два входа Таблица 8.1.

В первом режиме у соответствующем первой значащей строке таблицы 8.1, весь ток от цепи питания ?, направлен в левую часть схемы. Диоды D₁ и D₂ открыты. Потенциал ф_с — минимум 0,9 В. На открытых диодах D₃ и D₄ падение напряжения составляет 2 • 0,7 = 1,4 В. Потенциал базы транзистора недостаточен, чтобы открыть его, так что транзистор Т закрыт.

Если бы не было схемы сопряжения (диодов D₃ и Д,), то потенциал базы равнялся бы ф‘ = 0,9 В, транзистор открывался и насыщался, что противоречит логике вентиля И-НЕ, то есть схема была бы неработоспособной.

При наличии диодов D₃ и D₄ или только одного D₃ транзистор Т закрыт и при отсутствии нагрузки напряжение на выходе будет примерно равно Е₂.

Для положительной логики очевидно, что это соответствует логической единице.

Второй режим (вторая строка табл. 8.1). Напряжение логического нуля подается на вход А> напряжение логической единицы — на вход В. Там, где на входе «ноль*, входной диод открыт, там, где «единица*, — входной диод закрыт (на него подается обратное смещение). Тем не менее, если в параллельной цепочке открыт хотя бы один компонент, вся цепочка открыта. Ток от цепи питания Е_х опять пойдет в левую часть, в управляющую схему, на выходе которой «ноль*. Поэтому транзистор будет по-прежнему закрыт, то есть опять на выходе схемы будет логическая единица.

Третий режим (третья строка табл. 8.1). Логический ноль подается на диод D₂j он будет открыт, а диод D_x — закрыт. В параллельной цепочке по-прежнему открыт один диод, поэтому вся цепочка открыта. Ток от цепи питания ответвляется налево, в управляющую схему, с которой подается логический ноль. Диоды D₃ и D₄ закрыты, закрыт выходной транзистор: на выходе — логическая единица.

Три первые строки соответствуют режиму, когда на выходе схемы логическая единица, то есть схема закрыта.

Четвертый режим (четвертая строка табл. 8.1). При подаче на все входы напряжения логической единицы входные диоды D_x и D₂ закрыты. Определим, каким должен быть потенциал у точки С, чтобы в соответствии с логикой работы вентиля И-НЕ на выходе был логический ноль. Для этого транзистор необходимо ввести в насыщение. Это значит, что в его базу должен поступать ток, достаточный для насыщения транзистора. То есть должны быть открыты диоды ?)₃, и D_A и на базе транзистора должен быть потенциал ?/_бэнас (0,9 В).

Потенциал точки С в режиме, когда на выходе логический ноль, должен быть равен.

Исходя из этого и учитывая падение напряжения на резисторе IR_X> получаем, что напряжение питания Е_х приблизительно должно быть равно 3 В. Из этих соображений и выбирается номинал источников питания вентиля ДТЛ. Анализ реальной работы вентиля ДТЛ подтверждает выполнение им функционально полной логической функции И-НЕ.

Передаточная характеристика ДТЛ. Передаточная характеристика, то есть зависимость выходного напряжения ?/_вых от входного U_BX, определяет тип элемента и некоторые его технические параметры, такие как уровни логических нуля и единицы, а также запасы помехоустойчивости по положительной и отрицательной помехам.

При подаче на один из входов меняющегося напряжения ?/_вх (на все остальные входы подаются напряжения логической единицы, закрывая соответствующие диоды конъюнктора) и анализе работы схемы можно построить передаточную характеристику вентиля ДТЛ (рис. 8.2). Из рисунка видно, как меняется передаточная характеристика, если убрать один из диодов схемы сопряжения, например D₄.

Рис. 8.2. Передаточная характеристика ДТЛ с двумя (/) и одним (2) диодами в схеме сопряжения.

К достоинствам схемы ДТЛ можно отнести:

• • большой запас помехоустойчивости по положительной помехе при наличии двух диодов в схеме сопряжения;
• • высокую, по сравнению с МОПи КМОП-схемами, радиационную стойкость.

Недостатков у этой схемы заметно больше:

• • число источников питания огромно, что неприемлемо для сверхбольших интегральных схем;
• • большое количество резисторов, которые в транзисторной схемотехнике требуют дополнительных изолирующих областей;
• • большая площадь, занимаемая на кристалле, так как в качестве диодовДОв интегральных схемах используется обычный транзистор с закороченным база-коллекторным переходом. Функцию

диода выполняет база-эмиттерный переход транзистора с минимальной паразитной емкостью перехода среди двух его переходов (если транзистор имеет нормальную, а не инверсную структуру) и минимальным сопротивлением полупроводниковой л-области;

• площадь элемента находится в сильной зависимости от количества его входов, так как в схеме ДТЛ каждому новому входу соответствует новый транзистор.