SERII DE CIRCUITE INTEGRATE TTL
1. SCOPUL LUCRĂRII
Lucrarea prezentă face analiza comparativă a diferitelor serii de circuite integrate TTL, prin prezentarea porsii fundamentale realizate în tehnologia respectivă. Sunt prezentate caracteristicile constructiv-funcsionale si principalii parametri statici si dinamici ai fiecărei serii.
2. CONSIDERAsII TEORETICE
Circuitele integrate din familia TTL sunt frecvent utilizate, în special în echipamentele numerice. Familia de circuite integrate TTL se compune din mai multe serii de circuite integrate TTL, diferensiate prin particularităsi statice si dinamice. Se prezintă în continuare principalele serii de circuite integrate TTL, analizându-se caracteristicile constructiv-funcsionale ale porsii fundamentale sI-NU realizată în acea tehnologie. Ele se raportează la caracteristicile aferente porsii fundamentale TTL din seria normală, poartă a cărei schemă este prezentată în figura 3.1 si a cărei analiză s-a făcut detaliat în lucrarea precedentă.
|
Fig.3.1 |
|
Fig.3.2 |
2.1 Seria TTL rapidă
Seria TTL rapidă (high speed TTL) constituie o variantă a seriei normale, la care s-au efectuat modificări pentru obsinerea unor timpi de propagare mai mici, lucru realizat în detrimentul puterii consumate. Astfel timpii de propagare tipici pentru seria rapidă sunt: TpLH = 5,9ns, TpHL = 6,2ns, iar timpul mediu de propagare tp = 6ns, deci prevede o îmbunătăsire cu peste 40% fasă de seria normală. În schimb puterea consumată este dublă fasă de cea corespunzătoare seriei normale, PC = 22mW.
Ca structură, poarta fundamentală TTL din seria rapidă (figura 3.2 reprezintă schema electronică a unei porsi sI-NU cu două intrări, implementată de circuitul integrat CDB 400H) este foarte apropiată de cea din seria normală, evidensiindu-se următoarele modificări:
- toate rezistensele din schema porsii TTL rapidă au valori mai mici, pentru ca încărcarea si descărcarea capacităsilor interne să se facă mai rapid, pentru a se micsora timpii de propagare. Aceste acsiuni se desfăsoară însă prin generarea unor curensi mai mari, ceea ce duce la cresterea puterii consumate. Astfel:
- rezistensa de colector a invertorului complex este de 58 , fasă de 130 la poarta normală, în acest fel scăzând constanta de timp de încărcare a sarcinii capacitive de la iesire
- rezistensa de bază a tranzistorului multiemitor de la intrare este mai mică, ducând la cresterea curentului din colectorul său, adică a curentului direct de bază care comandă deblocarea tranzistorului T2, având de-a face cu o supraacsionare mai mare la deblocare a tranzistoarelor T2 si T3, ceea ce duce la obsinerea valorii scăzute pentru tpHL.
- efect asemănător dat de valoarea scăzută a rezistensei din emitorul lui T2 .
- poarta rapidă nu consine dioda de deplasare de nivel de la iesire, în schimb în partea superioară a invertorului complex de la iesire se foloseste un tranzistor compus (montaj Darlington, format din tranzistorul de comandă T5 si tranzistorul T4) care nu permite intrarea în saturasie a lui T4, reducând astfel timpul de deblocare al acestui tranzistor, obsinând timpul tpLH de o valoare 6ns.
Ceilalsi parametri ai porsii TTL rapide sunt asemănători celor de la seria TTL normală. Astfel, tensiunea de alimentare VCC = 5V si tensiunile nivelelor logice VIHmin = 2V, VILmax = 0,8V, VOLmax = 0,4V si VOHmin = 2,4V, sunt identice la cele două serii. De aici se deduce că si caracteristica de transfer si marginea de zgomot sunt identice. Valori egale caracterizează factorii de încărcare ale circuitelor din cele două serii (se consideră valoarea tipică a factorului de încărcare la iesire de 10).
Valori diferite au însă curensii de intrare si iesire, datorate mărimilor diferite ale rezistenselor din schemă), ceea ce duce la obsinerea de caracteristici de intrare si de iesire diferite pentru cele două serii. Pentru seria TTL rapidă avem valorile tipice: IILmax = -2mA, IIHmin = 50 A, IOLmax = 20mA, IOHmin = -1mA.
2.2 Seria TTL de putere redusă
|
Fig.3.3 |
Seria TTL de putere redusă (low power TTL) este destinată aplicasiilor care impun o putere consumată mică. Puterea medie disipată a acestei serii scade la PC = 1mW. Scăderea puterii disipate s-a făcut prin mărirea valorilor rezistenselor din schemă, ce a dus la micsorarea valorilor curensilor de încărcare-descărcare. În schimb s-au micsorat performansele dinamice, valorile timpilor de propagare crescând. Astfel seria prezintă următoarele valori tipice pentru timpii de propagare: tpLH = 35ns, tpHL = 31ns, tp =33ns.
Constructiv, schema porsii fundamentale TTL seria de putere redusă (figura 3.3 ilustrează schema electrică pentru poarta sI-NU cu două intrări, implementată de CDB 400L) este identică cu a porsii TTL standard. Valorile rezistenselor sunt mărite însă în medie cu un ordin de mărime.
Similar porsii TTL rapide, modificarea valorilor rezistenselor din schemă duce la valori diferite ale curensilor, deci la diferense între caracteristicile de intrare si iesire ale seriei de putere redusă fasă de cele ale seriei normale. Valorile tipice sunt: IILmax = -0,18mA, IIHmin = 10 A, IOLmax = 3,6mA, IOHmin = 200 A. În scheme care consin module din serii TTL diferite este necesară verificarea condisiilor de încărcare prin utilizarea valorilor reale ale curensilor.
Ceilalsi parametri ai porsii TTL de putere redusă sunt asemănători celor de la seria TTL normală. Astfel, tensiunea de alimentare VCC = 5V si tensiunile nivelelor logice VIHmin = 2V, VILmax = 0,7V, VOLmax = 0,3V si VOHmin = 2,4V, sunt aproape identice la cele două serii.
Caracteristicile de transfer si marginea de zgomot sunt deasemenea similare cu cele prevăzute de seria TTL normală, pentru montaje ce cuprind doar module ale seriei de putere redusă. În aceleasi condisii factorul de încărcare creste de la 10 la 20 sarcini.
2.3 Seria TTL SCHOTTKY
Pentru mărirea vitezei de comutare a circuitelor TTL (obsinerea unor timpi de comutare sub 10 s), o condisie importantă este evitarea intrării în saturasie a tranzistoarelor.
|
Fig.3.4 |
S-a ilustrat la poarta TTL standard metoda de evitare a saturasiei prin reacsie negativă neliniară, folosind dioda D, de evitare a saturasiei. Este nevoie ca dioda însăsi să prezinte timpi de stocare redusi. Dintre toate diodele, dioda Schottky (formată dintr-o joncsiune metal-semiconductor, de regulă aluminiu-siliciu), prezintă timpul de stocare cel mai mic. Tranzistoarele prevăzute cu diodă Schottky pentru evitarea saturasiei se numesc tranzistoare Schottky si ele se realizează din tranzistoarele obisnuite, la care se adaugă în paralel cu joncsiunea bază-colector, o diodă Schottky. Aceasta va prelua din circuitul bazei o parte din curent, condisia de saturasie a tranzistorului (IB ßmin > IC) neputând fi satisfăcută. Folosirea acestor tranzistoare a dus la aparisia seriei TTL cu diode Schottky. Timpul de comutare a scăzut la această serie la 3ns.
Poarta fundamentală a seriei TTL Schottky (figura 3.4 ilustrează poarta sI-NU cu două intrări, implementată de circuitul SN7S400), este asemănătoare ca funcsionare si structură cu poarta fundamentală a seriei TTL rapide, valorile rezistenselor fiind asemănătoare. Schema prevede în plus o rezistensă neliniară în emitorul tranzistorului T2, realizată de tranzistorul T6 si rezistensele R3 si R6, ce înlocuieste rezistensa liniară R3 din schema aferentă seriei TTL normale. Prin aceasta se îmbunătăseste forma caracteristicii statice de transfer a circuitului. Dacă la poarta fundamentală a seriei normale, tranzistorul T2 intra în conducsie dacă tensiunea de la intrare depăsea 0,55V, prin rezistensa R3 curentul crescând liniar, iar caracteristica de transfer prezentând o pantă relativ mică. Deabia după potensialul de 1,3V la intrare tranzistorul T3 comută si caracteristica de transfer prezintă comutarea abruptă. La poarta fundamentală a seriei TTL Schottky, prezensa tranzistorului T6, blocat pentru potensial la intrare sub 1,3V, face imposibilă deschiderea tranzistorului T2 în intervalul 0V - 1,3V, caracteristica de transfer prezentând o formă aproape ideală (vezi figura 3.5).
|
Fig.3.5 |
În afara timpului de comutare performant si de frecvensa ridicată de lucru de peste 100MHz, ceilalsi parametri ai seriei TTL Schottky sunt apropiasi de ai seriei normale. Astfel, puterea consumată PC = 19mW este mai mare, dar inferioară seriei rapide, potensialele de intrare si iesire pentru nivelele logice sunt aproximativ aceleasi, iar încărcarea la iesire tot de 10 sarcini. Curensii de intrare si de iesire tipici sunt: IILmax = -2mA, IIHmin = 50 A, IOLmax = 20mA iar IOHmin = -1mA.
2.4 Seria TTL SCHOTTKY de putere redusă
Seria TTL Schottky de putere redusă este folosită în montajele mixte, ce folosesc circuite
logice din diverse serii TTL sau circuite logice MOS, CMOS. Aceasta datorită interfasării directe, o poartă TTL Schottky de putere redusă putând fi comandată direct chiar de un circuit MOS sau CMOS. Dacă puterea consumată este numai PC = 2mW, timpii de propagare sunt medii, asemănători seriei normale tp = 9,5ms, iar ceilalsi parametri sunt de asemenea apropiasi seriei TTL normale.
|
Fig.3.6 |
Constructiv, poarta fundamentală TTL Shottky de putere redusă este ilustrată de figura 3.6, diferensele fasă de schema electrică pentru seria Schottky constând în valorile diferite, mult mai mari, ale rezistenselor si în înlocuirea tranzistorului multiemitor T1 de la intrare cu diode Schottky, mult mai rapide.
2.5 Seria TTL cu trei stări (TSL)
Seria TTL cu trei stări a fost proiectată special pentru realizarea performantă a funcsiei logice cablate, o necesitate pentru sistemele de calcul prevăzute cu magistrale. Seria se impune datorită asigurării unor performanse de comutare superioare porsilor TTL cu colectorul în gol.
Schema de principiu este ilustrată de figura 3.7, fiind asemănătoare cu schema porsii seriei TTL rapide. În plus ea prevede încă o intrare I, numită intrare de inhibare (sau enable-intrare de permisiune, de control), cu următoarea acsiune:
- dacă nivelul său este coborât, la iesirea inversorului I1 nivelul este ridicat, făcând ca dioda D să rămână blocată, poarta funcsionând ca o poartă TTL normală
- dacă se aplică pe intrarea I nivel ridicat de tensiune, la iesirea inversorului se stabileste un nivel logic coborât, un potensial apropiat de 0V, ce face ca tranzistorul T2 să nu se poată deschide, cei doi tranzistori ai "stâlpului totemic" de la iesire (tranzistorul T3 si montajul Darlington T5 si T6) să rămână blocasi, poarta fiind astfel în starea de înaltă impedansă sau starea OFF.
|
Fig.3.7 |
În această stare, tensiunea de la iesirea porsii nu este determinată iar în funcsie de sarcina conectată la iesire, poarta poate furniza sau absorbi curensi reziduali.
Ca circuite integrate TSL se vor studia circuitele SN74125 sau SN74126.
3. MERSUL LUCRĂRII
Folosind montajele de la lucrarea referitoare la poarta TTL standard, prin înlocuirea circuitelor TTL standard cu porsi aferente fiecărei serii studiate, să se traseze caracteristicile de transfer, de intrare si de iesire si să se studieze comportarea dinamică a circuitelor. Să se raporteze rezultatele practice la considerentele teoretice din lucrare.
4. CONsINUTUL REFERATULUI
Prezentarea sumară a caracteristicilor seriilor de circuite TTL studiate.
Configurasia terminalelor circuitelor utilizate.
Schemele circuitelor de măsură si rezultatele determinărilor.
Observasii.
|
