|
|
|
Circuite integrate TTL
Familia TTL (Transistor Transistor Logic), este cea mai cunoscuta familie de circuite integrate digitale, fiind introdusa de firma Texas Instruments (SUA) in anul 1965.
Circuitele integrate sunt realizate cu tranzistori bipolari cu cuplaj direct (fara condensator de cuplaj intre etaje).
Circuitele realizate in tehnologie TTL sunt alimentate (powered) de la o sursa de c.c. cu
valoarea VCC = 5 V (
).
Semnalele de la intrarea portii din domeniul 2 V,, 5 V sunt interpretate drept "1" logic iar semnalele din domeniul 0 V,, 0,8 V sunt interpretate drept "0" logic, ceea ce inseamna ca
VIHmin = 2 V ,VILmax = 0,8 V.
Domeniul 0,8 V,, 2 V dintre cele doua nivele limita se numeste domeniul de incertitudine, pentru ca un nivel de tensiune din acest domeniu aplicat la intrare va determina la iesirea portii un semnal logic aleatoriu (uneori "0" si alteori "1" fara a putea fi precizat).
La iesirea portii avem urmatoarele nivele logice
VOLmax= 0,4 V, VOHmin= 2,4 V.
Producatorii de circuite integrate garanteaza, in conditii date, anumite valori limita pentru nivelele logice. Spre exemplu se garanteaza
VOHmin = 2,7 V ,VILmax = 0,5 V .
Diferenta, in modul, dintre iesirea garantata a portii si nivelul logic standardizat reprezinta marginea de zgomot a portii, care
pentru "1" logic este MH (high-level noise margin) iar pentru "0" logic este ML (low-level noise margin
.
Marginea de zgomot mai mare pentru "1" logic sugereaza recomandarea folosirii unui semnal de comutare a circuitului activ in zero logic, adica care efectueaza tranzitia din "1" logic in "0" logic atunci cand se doreste comutarea starii circuitului logic.
Necesitatile productiei de aparatura numerica si evolutia tehnologiei de realizare a circuitelor integrate au evidentiat 7 familii (serii) de circuite integrate TTL si anume:
normala, notata 74xxx pentru aplicatii comerciale si 54xxx pentru aplicatii militare;
rapida (High Speed) notata 74Hxxx este iesita din uz;
de mica putere (Low Power) notata 74Lxxx, este iesita din uz;
Schottky notata 74Sxxx pentru seria standard;
Schottky 74LSxxx pentru seria de mica putere;
Schottky 74ALSxxx pentru seria de mica putere performanta;
Schottky 74ASxxx pentru seria performanta (Advanced).
Toate seriile TTL au drept circuit fundamental poarta SI-NU.
Seria TTL normala are poarta logica fundamentala realizata cu 4 tranzistori bipolari, conectati ca in figura 4.3. [13,20]
Fig. 4.3.
Schema electronica se bazeaza pe tranzistorul multiemitor T1 care implementeaza functia logica SI pentru intrarile A si B.
Rezistorul R1 stabileste curentul injectat in baza tranzistorului T1.
Tranzistorul T2 amplifica in curent semnalul furnizat de tranzistorul multiemitor T1 si comanda (prin curentul care circula prin rezistorul R3) tranzistorul inversor T3 din etajul final si comanda (prin valoarea potentialului colectorului) tranzistorul T4.
Tranzistorul T4 are rol de sarcina activa pentru tranzistorul final asigurand o impedanta mica la tranzitia din "0" in "1" a iesirii.
Dioda D participa la formarea tensiunii baza - emitor a tranzistorului T4 impreuna cu rezistorul R2 care stabileste potentialul bazei tranzistorului T4.
Diodele D1 si D2 protejeaza tranzistorul multiemitor T1 la aplicarea unor tensiuni negative
Prin conventie curentul este pozitiv daca poarta absoarbe curent. Pentru poarta standard avem urmatorii curenti asociati nivelelor logice:
IIH = 40 μA
IIL = -1,6 mA,
IOH = -800 μA
IOL = 16 mA.
Pe baza curentilor se
obtine un factor de incarcare 
, ceea ce inseamna ca la iesirea portii
TTL normale se pot cupla maximum 10 intrari de porti logice.
Din analiza functionarii schemei pentru diferite domenii ale tensiunii de intrare se obtine caracteristica statica din figura 4.4.
In cadrul analizei consideram urmatoarele valori asociate unei diode si unui tranzistor tipic tehnologiei TTL :
, caderea de tensiune pe o dioda in conductie;
, pentru zona activa de functionare;
, pentru zona activa de functionare la saturatie;
, caderea de tensiune colector - emitor pentru zona de
saturatie.
Pentru domeniul 0V< Vi < 0,65 V, tranzistorul T1 este
saturat iar T2 este blocat - pentru ca tensiunea aplicata bazei este mica
.
Va fi blocat si tranzistorul T3 deoarece curentul furnizat de T2 este foarte mic
.
Situatia apare in conditiile cand la ambele intrari se aplica un potential mic, corespunzator lui "0" logic ( A=0, B=0). Cu teorema a doua a lui Kirchoff pentru ochiul de iesire se determina
.
Dar 
,
pentru ca tranzistorul T2 este blocat, iar curentul de colector al T4 este curentul prin sarcina circuitului (IOH).
Tensiunile pe dioda si intrarea tranzistorului in conductie sunt
ceea ce inseamna ca 
pe toata zona AB a caracteristicii.
Pentru 0,65 V< Vi < 1,3 V, T2 incepe sa conduca usor,
intrand in regiunea activa normala. Amplificarea
realizata pe portiunea BC
de tranzistorul T2 este
. Pe dreapta BC
a caracteristicii T4 functioneaza ca repetor pe
emitor iar T3 este blocat.
Pentru 1,3 V < Vi < 1,5V, T3 incepe sa conduca, Ve
scade mai rapid obtinand dreapta CD.
Tranzistorii T2, T4 si T3
conduc in regiunea activa normala. Creste consumul de la sursa
de alimentare.
Pe zona 1,5 V < Vi < 2,25 V, T3 este saturat T4 iar este
blocat. Tensiunea de iesire pentru regiunea DE este
.
Timpii de propagare specificati in datele de catalog sunt:
Consumul de putere este format din puterea de curent continuu (in jur de 10 mW) la care se adauga puterea datorata capacitatilor parazite.
Pentru o capacitate
parazita de CP = 15 pF puterea suplimentara este de 0,4
mW la frecventa de lucru de 1 MHz si creste la 7,5 mW pentru frecventa de operare de
20 MHz .
Seria TTL rapida (High Speed) notata 74Hxxx a fost implementata (conform denumirii) in scopul cresterii vitezei de comutare.
S-au obtinut timpi de propagare tp = 6 ns (fata de 10 ns la pentru seria standard).
Pentru a obtine aceasta performanta rezistorii din schema circuitului fundamental au fost micsorati , tranzistorul T4 a fost inlocuit cu un montaj Darlington, s.a.
Curentii de intrare sunt IiLM = 2 mA, IiHM = 50 μA, iar puterea absorbita pe poarta ajunge la Pd = 22 mW.
Seria este iesita din uz si componentele sunt scose din fabricatie.
Seria TTL de mica putere (Low Power) notata 74Lxxx, a fost implementata (conform denumirii) in scopul scaderii puterii absorbite de circuit.
Puterea pe poata a scazut la Pd = 1,,2 mW dar timpul de propagare a crescut la tp = 20,,33 ns.
Scaderea puterii s-a obtinut prin cresterea valorilor rezistorilor din schema.
Seria este iesita din uz si componentele sunt scose din fabricatie.
Seria TTL Schottky apare din necesitatea vitezei de propagare, ceea ce s-a obtinut pe seama cresterii vitezei de comutare a elementelor active de circuit din schema electrica.
In cazul circuitelor TTL cu tranzistori bipolari NPN acestia vor stationa in blocare sau in saturatie. Tranzistorul comuta din saturatie in blocare dupa evacuarea sarcinii stocate, sarcina care este o functie de zona de saturatie a tranzistorului ( mai mare pentru tranzistor in saturatie profunda).
Pentru ca tranzistorul sa nu se mai satureze, circuitul logic a fost implementat cu tranzistori Schottky.
Tranzistorul Schottky este format dintr-un tranzistor NPN care in paralel cu jonctiunea colector - baza are o dioda Schottky.
Dioda Schottky aflata in conductie are o cadere de tensiune
Vsh =0,3,,0,4 V ceea ce inseamna ca jonctiunea colector - baza a tranzistorului NPN nu mai poate fi polarizata direct (are nevoie de o tensiune in jurul valorii de 0,65 V), adica tranzistorul nu mai poate fi adus la saturatie.
Observatie: Reamintim ca un tranzistor este la saturatie daca ambele jonctiuni sunt polarizate direct.
Dioda Schottky are caracteristica statica a unei diode PN dar este realizata prin contactul dintre o semiconductoare si o zona metalica (din aluminiu).
In figura 4.5 este prezentat simbolul tranzistorului Schottky, iar in figura 4.6 este prezentata implementarea acestuia pe pastila de siliciu.
In figura 4.7 este prezentata schema electrica a portii logice fundamentala (SI-NU) a seriei Schottky standard.
Circuitul respecta topologia portii standard (din figura 4.3) dar cu inlocuirea
tranzistorilor NPN cu tranzistori Schottky,
rezistorului R3 cu un rezistor neliniar format din grupul 
,
tranzistorului T4 cu un montaj Darlington, format cu T5,T4 si rezistorul R5 .
Rezistorul neliniar are o valoare mica la comutarea tranzistorului T3 din saturatie in blocare, asigurand evacuarea rapida a sarcinii stocate in baza acestuia si are o valoare mare cand T3 primeste comanda de comutare in conductie (astfel nu se consuma din curentul de comanda care se injecteaza in baza lui T3).
Timpul de propagare scade la tp = 3 ns pentru o putere consumata pe poarta Pd = 20 mW.
Pentru poarta standard a seriei Schottky avem urmatorii curenti asociati nivelelor logice:
IIH = 50 μA
IIL = - 2 mA,
IOH = - 500 μA
IOL = 20 mA.
(fata de curentii portii TTL standard IIH = 40 μA IIL = -1,6 mA,
IOH = -800 μA IOL = 16 mA).
Seria Schottky de mica putere, notata cu 74LSxxx are ce mai larga arie de utilizari.
In figura 4.8 este prezentata schema electrica a portii SI-NU, din seria Schottky de mica putere.
Constatam ca circuitul SI nu este realizat cu tranzistor multiemitor, ci cu ajutorul diodelor DA, DB , a rezistorului R1 si cu un tranzistor T1 defazor.
Rezistorul R5 este conectat la iesire (si nu direct la masa) pentru a elimina o sursa de consum, cand iesirea este in starea "1" logic.
Puterea disipata pe o poarta este Pd = 2 mW, pentru un timp de transfer tp = 9,5 ns.
Curentii absorbiti de intrari suntIIH = 20 μA IIL = - 0,4 mA, iar tensiunile de la iesire sunt U0LMax = 0,5 V, U0Hmin = 2,7 V.
Seriile Schottky performante, notate 74ALSxxx si 74ASxxx folosesc tehnologii mai performante pentru realizarea circuitului logic, fara a modifica schema electrica. [21]
Pentru seria AS timpul de propagare este tp = 1,7 ns iar puterea disipata pentru poarta fundamentala este Pd = 8 mW.
Pentru seria ALS timpul de propagare este tp = 4 ns, iar puterea disipata pentru poarta fundamentala este Pd = 1,2 mW.
Curentii de intrare sunt IiLMax = 2 mA si IiHMax = 0,2 mA iar tensiunea de iesire are valorile U0LMax = 0,5 V, U0Hmim = 2,7 V.
Porti TTL cu colectorul in gol OC (open collector) sunt porti logice la care se elimina etajul de iesire realizat de tranzistorul T4 sau de T4 si T5.
La proiectarea schemelor logice cu circuite OC se impune conectarea iesirii circuitului logic la sursa de alimentare prin intermediul unui rezistor.
Cu ajutorul acestui tip de porti se realizeaza functia SI cablat, prin conectarea directa a mai multor iesiri. Iesirile se leaga impreuna si printr-o rezistenta de sarcina se conecteaza la sursa de alimentare.
Erau utile la conectarea mai multor echipamente pe aceeasi magistrala, dar asigurau timpi de propagare mari si stricau fronturile semnalelor.
Mai nou se prefera utilizarea portilor logice cu trei stari.
Portile logice TTL cu trei stari (tri states) au iesirea in starea "0" logic, in starea "1" logic sau in starea de inalta impedanta HZ (High Z). Pe langa intrarile de date circuitul are o intrare specifica E (Enable) care permite comutarea circuitului in starea de inalta impedanta.
O iesire aflata in starea HZ este flotanta, nefiind influentata de modificarea intrarilor si nu afecteaza in nici un fel functionarea circuitelor conectate in punctul respectiv (la iesirea respectiva).
In figura 4.9 este prezentata schema de principiu a unui inversor TTL cu trei stari.
Daca intrarea E este in "1" logic pe emitorul corespunzator al tranzistorului T1 se aplica un potential ridicat care blocheaza jonctiunea baza - emitor si totodata blocheaza dioda D2. Intrarea In va conditiona conductia sau blocarea tranzistorului T1 si circuitul va functionarea ca un inversor (la iesirea Y se obtine valoarea negata a intrarii In).
Intrarea E este in "0" logic determina conductia tranzistorului T1 si a diodei D2, care dioda in conductie va determina un potential mic pe baza tranzistorului T4.
Tranzistorul T4 fiind blocat circuitul nu va furniza decat un curent foarte mic (zero) prin borna Y, ceea ce inseamna ca iesirea circuitului nu va afecta functionarea circuitelor conectate la borna Y si spunem ca circuitul se afla in starea de inalta impedanta HZ.
In tabelul 1 avem starile logice ale iesirii in functie de starea celor doua intrari.
Tabelul 1.
|
In |
E |
Y |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
0 |
|
x |
0 |
HZ |
Semnificatia literei "x" este "orice valoare logica". Adica oricare ar fi starea intrarii In, daca E este zero, circuitul va fi in starea HZ.
Nota: Exista circuite care implementeaza cea de a treia stare pentru intrari.
