CIRCUITE NUMERICECircuite logice integrate TTL

n funcie de anumite caracteristici comune, cum ar fi schema electronic, tehnologia de fabricaie, modul de definire a parametrilor etc, circuitele logice integrate se clasific n familii de circuite logice. Circuitele logice dintr-o familie se caracterizeaz prin aceleai nivele logice de tensiune i n general prin aceleai tipuri de parametri.

Prezentare general

familia TTL s-a dezvoltat plecnd de la schemele electronice ale circuitelor familiei DTLperformane:putere disipat i timpi de propagare reduifactor de ncrcare la ieire i imunitate la perturbaii relativ mariodat cu dezvoltarea seriei TTL Schottky, se ofer vitez de lucru n comutaie performant.

RTLDTLDLDTL

B

A

Y=AB

VCC

T1

D1

D2

T2

R1

4k

R2

1k6

T4

D

R4

130

T3

R3

1k

Serii de circuite TTL fiecare serie este caracterizat printr-un parametru superior valoric fa de seria de baz (standard) se deosebesc n principal prin compromisul realizat ntre puterea disipat pe poart i timpul de propagare un circuit logic ideal care s prezinte toi parametrii cu valori performante - timp de propagare i putere disipat mici - imunitate la zgomot i factor de ncrcare la ieire mari imposibil de realizat, deoarece aceste cerine sunt contradictoriitoate seriile TTL sunt compatibile din punctul de vedere al nivelelor logice

Serii de circuite TTLseria TTL normal (7400) sau standard - prezint pentru parametri valori de compromisgama tensiunilor de alimentare admise este (4.755.25) V gam de temperaturi de lucru admise de (0+70)C.seria TTL rapid (H), ce prezint un timp de propagare redus, dar n detrimentul unei puteri disipate mai mariseria TTL de putere redus (L), avnd un consum redus, dar timp de propagare mai mare dect seria standard seria TTL cu diode Schottky (seria S) - timp de propagare foarte micseria TTL Schottky de putere redus (LS)seria TTL Schottky mbuntit (avansat) (AS)seria Schottky avansat de putere redus (ALS).o serie TTL, serie 'special', este constituit din circuitele din seria 5400, destinate aplicaiilor militare:gama tensiunilor de alimentare admise este (4.55.5) V gam de temperaturi de lucru admise de (55+125)C.

Poarta fundamental TTL poarta SI-NUEtajul de intrare - tranzistorul multiemitor T1diodele de limitare D1 i D2 pe intrrile circuitului.Tranzistorul T2 - comanda n contratimp a etajului de ieireEtajul de ieire n contratimp realizat cu tranzistoarele T4 i T3, i dioda DFuncionare circuitul I-NU cu dou intrri (7400)circuite cu 3,4 sau 8 intrri (7410, 7420, 7430)

B

A

Y=AB

VCC

T1

D1

D2

T2

R1

4k

R2

1k6

T4

D

R4

130

T3

R3

1k

Nivelele logice VIL - nivelul de tensiune necesar pentru a avea nivel logic "0" la intrare. VILmax = 0.8 V.VIH - nivelul de tensiune necesar pentru a avea nivel logic "1" la intrare. VIHmin = 2 V.VOL - nivelul de tensiune la ieire n starea "0" logic. VOLmax = 0.4 V.VOH - nivelul de tensiune la ieire n starea "1" logic. VOHmin = 2.4 V.VT - reprezint tensiunea de prag, la care tensiunile de intrare i de ieire sunt egale. Are valoarea de 1.3V pentru condiii normale de lucru (VCC = 5V, Ta =25C)

Caracteristica staticaVi = 0V, T2 blocat Vo=3,4V independent de variaia intrrii, att timp ct T2 rmne blocat, poriunea AB pe caracteristicVi peste 0.6V(BC), T2 ncepe s conduc, intrnd n regiunea activ normal, T4 funcioneaz ca repetor pe emitor, T3 blocatVi > 1.3V, T2 determin o variaie mai rapid a tensiunii de ieire cu tensiunea de intrare (poriunea CD). T3 intra n conducie. T2, T4 i T3 conduc n RAN, ceea ce duce la nchiderea unei bucle de reacie pozitiv (colectorul lui T2 - baza lui T4 - dioda D - colectorul lui T3 i emitorul lui T2) (la ieire apar oscilaii de nalt frecven pe fronturi lungi)Vi > 1.5 prin blocarea lui T4 i saturarea lui T3 tensiunea de ieire rmne practic constant i egal cu VCEsat 0.2V, a tranzistorului T3 (regiunea DE de pe caracteristic)

VO

0,5

1,3

A

1

4

3

VI[V]

2

2

4

5

1,5

1

0,65

3

Figura 7.4.

0,2

3,4

B

C

D

E

B

A

Y=AB

VCC

T1

D1

D2

T2

R1

4k

R2

1k6

T4

D

R4

130

T3

R3

1k

Marginea de zgomot ML = VILmax VOLmax standard de 400mV.MH = VOHmin VIHminstandard de 400mV.

MH

VOLmin

1

U perturbaie

2

Figura 6.5.

U tipic (garantat)

la ieire

VOHmax

U cel mai defavorabil

acceptat la intrare pentru

starea logic respectiv

VOHmin

VO1

VOLmax

ML

VI2

VIHmax

VIHmin

VILmax

VILmin

400mV - valoarea garantat, practic (tipic) este peste 1Vporile i schimb starea cnd tensiunea de intrare depete valoarea tensiunii de prag, VT = 1.3-1.5VValorile de tensiune tipice la ieire pentru strile logice sunt VOH = 3.5V i VOL = 0.2V ieirea pentru starea '1' logic poate tolera o tensiune negativ de zgomot de 2V, fr ca porile comandate s-i schimbe starea n mod falspentru starea '0' logic la ieire, se poate tolera un zgomot pozitiv de 1.1Vmarginea de zgomot tipic pentru TTL este mai mare pentru starea '1' logic la ieire starea logic de repaus a unui circuit logic - '1' logic, iar comanda comutrii s se fac cu un semnal 'activ zero', ce se modific de la '1' logic la '0' logic.

Marginea de zgomot

Curenii de intrare i de ieireConvenional se stabilete semnul pozitiv dac poarta respectiv absoarbe acei cureninegativ pentru curenii generai spre exterior

la intrarepentru starea "1" logic, absoarbe maximum IIH = 40 An starea "0" logic genereaz maximum IIL = -1,6 mA

la ieirepentru starea "1" logic genereaz minimum IOH=-800Apentru starea "0" logic absoarbe minimum IOL = 16 mA.

Factorul de ncrcare

FI poarta fundamentala TTL poarta SI-NUFIL = 1, atribuit unui curent de intrare IIL = - 1,6mAFIH = 1, atribuit unui curent de intrare IIH = 40A.

FOfactorul de ncrcare la ieire FOH = min (FOH , FOL ) = 10factorul de ncrcare la ieire pentru '0' logic, FOL = IOL/IIL = 10.factorul de ncrcare la ieire pentru '1' logic, FOH = IOH/ IOL = 20.

Puterea consumat - regim static'1' la ieireICCH = IR1 = (VCC -VB(T1))/R1 1mA '0' la ieireICCL = IE(T2) = IC(T2) + IB(T2) = (VCC - VC(T2))/R2 + (VCC - VB(T1))/R13,3mADe la aceste valori se poate aproxima PC 10mW.

B

A

Y=AB

VCC

T1

D1

D2

T2

R1

4k

R2

1k6

T4

D

R4

130

T3

R3

1k

Puterea consumt - regim dinamicn intervalul de variaie al Vi, cuprins ntre 1,3 i 1,5V, interval n care au loc procesele tranzitorii se observ un salt brusc i serios al consumului tranzistoarele etajului final conduc simultan, singurul element care fixeaz curentul absorbit este R4 ICC atinge valori foarte mari, pn la ICCmax = 30mA

B

A

Y=AB

VCC

T1

D1

D2

T2

R1

4k

R2

1k6

T4

D

R4

130

T3

R3

1k

Puterea consumat - regim dinamicdatorit conduciei simultane a tranzistoarelor din etajul de ieire1 logic la ieireT2 ,T3 - blocat T4 - saturat0 logic la ieireT2 ,T3 -saturat T4 blocatcomutarea ieirii (VO)de la 1 la 0 logic ICC = ICCmax /2de la 0' la 1' logic ICC = ICCmax PDC = CpVCC2f puterea consumat pentru ncrcarea capacitilor parazite de la ieire

B

A

Y=AB

VCC

T1

D1

D2

T2

R1

4k

R2

1k6

T4

D

R4

130

T3

R3

1k

Vo

tc

t3

t

t2

2

t1

ICCmax

ICC

1

ICCmax

0,1

t1

t4

0,9

ICCL=

3mA

t

t3

t2

ICCH=1mA

30

15

t4

T

tr

Timpul de propagare este determinat de timpul de ncrcare i descrcare a capacitii parazite de la ieirea porii i timpul de comutare a tranzistoarelor schemei dintr-o stare stabil n cealalt tpHL = tc1 + tdestc1 = 5ns i tc2 = 8ns tpLH = tc2 + tinctpd = (tpHL + tpLH)/2

Pentru Cp = 15pF, VOH=3.5V, VOL=0.2V, IOL=16mA tdes=3nspentru IOS = 18mA, se obine tinc = 2.5ns.valori teoretice: tpHL = 8ns i tpLH = 10.5ns,valori de catalog: tpHL = 8ns, tpLH = 12ns, tpd = 10ns.

Poarta I schema mai complex dect cea a porii I-NUparametrii inferiori n domeniul puterii disipate i a timpilor de propagarePD = 20mW,tpHL = 12ns, tpLH = 17ns, tpd = 15ns ceilali parametri asemntori includerea n schem a unui etaj inversor suplimentartranzistorul T5 realizeaz inversarea necesar trecerii de la circuitul I-NU la unul de tip I tranzistorul T6 i dioda D1 asigur o deplasare de nivel necesar funcionrii corecte a porii

B

A

Y

VCC

T6

D1

T1

R1

4k

T5

R5

2k

R4

130

D

T4

T3

R6

800

R2

1k6

T2

R3

1k

Poarta SAU-NU asemnarea la nivelul etajelor cu poarta I-NUdeosebire - nlocuirea tranzistorului multiemitor de la intrare cu montajul format de perechile T1', T2', respectiv T1", T2tranzistorii T2' i T2" au emitorii i colectorii legai mpreun - cel aflat n conducie determin scurt-circuitarea celuilalt Parametrii de consum i dinamici asemntori porii I: PD = 13mW, tpd = 10ns. Circuitul integrat corespunztor SN 7402

A

Y

VCC

B

R1

4k

T2'

R2

1k6

R4

130

D

T4

R3

1k

T3

T1'

T2"

T1"

R1

4k

Poarta SAU Poarta I-SAU-NU

A

Y

VCC

B

R1

4k

T2'

R2

1k6

R4

130

D

T4

R3

1k

T3

T1'

T2"

T1"

R1

4k

A

B

VCC

Y

T5'

R5

2k5

R1

4k

R6

1k

T1'

T5"

T1"

R1

4k

T4

T3

R4

130

D

R3

1k

T2

R2

1k6

T6

D1

A

Y

VCC

B

R1

4k

T2'

R2

1k6

R4

130

D

T4

R3

1k

T3

T1'

T2"

T1"

R1

4k

VCC

Y

A

B

C

D

T2'

R4

130

R2

1k6

D

R1

4k

T3

R3

1k

T4

T2"

R1

4k

T1'

T1"

Poarta TTL cu colector n gol permite legarea n scurt-circuit a mai multor ieirirealizarea funciei logice cablatemagistrale de informaie (de date, adrese, comenzi)

trebuie adugat o rezisten exterioar RC dimensionarea lui RC compromisvaloare mare avantajul unui consum redus de putere i o impedan mare de ieiretimp de propagare de valori mari i o cretere a sensibilitii la zgomotse alege cu o valoare cuprins ntre dou limite: RCmin < RC < RCmaxvalorile extreme calculate pentru situaiile limit ale ieirii n starea de '0' logic, respectiv '1' logic.

VCC

A

Y=AB

B

T1

R5

1k6

T2

R1

4k

R6

1k

T3

Seria TTL rapid (HTTL) modificri pentru obinerea unor timpi de propagare mai mici, lucru realizat n detrimentul puterii consumatetoate rezistenele din schema porii TTL rapid au valori mai mici, nu conine dioda de deplasare de nivel de la ieiretranzistor compus (montaj Darlington, format din tranzistorul de comand T5 i tranzistorul T4) care nu permite intrarea n saturaie a lui T4, tpLH = 5.9ns tpHL = 6.2ns tpd = 6nsmbuntire cu peste 40%

PC = 22mW

IILmax = -2mA, IIHmax = 50AIOLmin = 20mA, IOHmin = -1mA.

VCC

Y=AB

B

A

T1

T3

T2

R3

470

R4

58

T4

R1

2k8

R2

760

R5

4k

T5

Seria TTL de putere redus destinat aplicaiilor care impun o putere consumat mic schema identic cu a porii TTL standardvalorile rezistenelor sunt mrite ns n medie cu un ordin de mrime

tpLH = 35ns, tpHL = 31ns, tpd =33ns

PC = 1mW

IILmax = -0.18 mA, IIHmax = 10AIOLmin = 3.6 mA, IOHmin = -200 A.

Y=AB

A

B

VCC

T3

R3

12k

T1

T4

T2

R1

40k

R4

500

R2

20k

D

Seria TTL Schottky tranzistoare Schottky rezisten neliniar n emitorul tranzistorului T2 (T6, R3, R6) se mbuntete forma caracteristicii de transfer - form aproape ideal

tpHL tpLH 3ns

PC = 19mW

IILmax = -2 mA, IIHmax = 50AIOLmin = 20 mA, IOHmin = -1mA.

V

CC

A

B

Y=AB

T

5

T

4

T

3

T

6

R

6

250

R

4

50

T

1

R

3

500

R

2

9

00

R

1

2k8

T

2

R

5

3k5

Seria TTL Schottky de putere redusafolosit n montajele mixte, ce folosesc circuite logice din diverse serii TTL sau circuite logice MOS, CMOS valori mult mai mari ale rezistenelor i n nlocuirea tranzistorului multiemitor T1 cu diode Schottky, mult mai rapide

tpHL tpLH 9.5ns

PC = 2mW

IILmax = -0.36mA, IIHmax = 20AIOLmin = 8 mA, IOHmin = -0.4mA.

VCC

Y=AB

B

A

R4

200

T2

R1

17k

R2

8k

R3

15k

R5

6k

T5

T4

T3

T6

R6

3k

D1

D2

D3

ParametriiSeria

Standard.High SpeedLow PowerSchotkyLow Power Schotky

VCC[V]VIHmin[V]VILmax[V]VOHmin[V]VOLmax[V]IIH[mA]IIL[mA]IOH[mA]IOL[mA]ICH[mA]ICL[mA]MZH[V]MZL[V]FO

55555222220.80.80.70.80.82.42.42.42.72.70.40.40.30.50.50.040.050.010.050.021.620.1820.360.810.210.416203.620812.50.112.50.236.50.350.60.40.40.40.70.70.40.40.40.30.31020101020

ParametriiSeria

Standard.High SpeedLow PowerSchotkyLow Power Schotky

10221192126353986313101063339.51001323357193550312545

PC[mW]tpLH[ns]tpHL[ns]tp[ns]FC[pJ]Frecv.[MHz]

Seria TTL cu trei stri (TSL) proiectat special funcia logice cablate, necesitate pentru sistemele de calcul cu magistrale performane de comutare superioare TTL cu colectorul n gol Schema asemntoare cu schema porii seriei TTL rapide nc o intrare I - intrare de inhibare (enable-intrare de validare)starea de nalt impedan, tensiunea la ieire nu este determinattpHL=8ns tpLH 12ns

PC = 16mW

IILmax = -1.6mA, IIHmax = 40AIOLmin= 16mA, IOHmin = -5.2mA

FOL=10, FOL=130

I

VCC

A

Y=AB

T5

R5

4k

D

R3

1k

T1

R2

1k6

R1

4k

T2

T3

R4

58

T4

I1

E

*