Семейства стандартных логических интегральных микросхем. Электрические характеристики и особенности применения

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

Р.И. Мещерякова

СЕМЕЙСТВА СТАНДАРТНЫХ
ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Рекомендовано Научно-методическим
советом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 621.382.3(075.8)
ББК 32.852.3
М56

М56

Рецензенты: О.В. Андрюшин, В.А. Панков

Мещерякова Р.И.
Семейства стандартных логических интегральных микросхем. Электрические характеристики и особенности применения : учеб. пособие / Р.И. Мещерякова. – М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2010. – 37, [3] с. : ил.

Рассмотрены внутренняя структура семейств микросхем стандартной логики, их электрические характеристики, а также особенности
применения стандартных логических микросхем различных семейств
и совместного использования при разработке электронных устройств.
Для студентов, изучающих курс «Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств».

УДК 621.382.3(075.8)
ББК 32.852.3

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

1. БАЗОВЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ СЕМЕЙСТВА
ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ

Интегральные микросхемы стандартных серий устройств на
транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) существуют уже на протяжении более 30 лет. Первые серии интегральных схем этого семейства оказали колоссальное влияние на характеристики всех без
исключения логических интегральных схем (ИС). Устройства на
ТТЛ до сих пор используются в качестве связующего звена между
более сложными частями цифровых систем.
Базовым
элементом
схем
ТТЛ
является
элемент
2И-НЕ
(рис. 1, а). Характеристики входов элементов ТТЛ обусловлены
внутренней структурой многоэмиттерного транзистора VT1 (фактически VT1 эквивалентен группе диодов, каждый из которых
заменен эмиттером). При подаче прямого напряжения смещения
на один или оба эмиттера происходит отпирание транзистора VT1.
И, наоборот, транзистор окажется запертым, если подать на все
эмиттеры одновременно обратное напряжение смещения. Многоэмиттерные транзисторы могут иметь до восьми входов, т. е. на их
основе можно построить элемент И-НЕ с восемью входами.
Следует обратить внимание, что на выходе схемы транзисторы
VT3 и VT4 включены в виде двухтактного каскада. Такое подключение транзисторов позволяет им работать как паре ключей.
Задача транзистора VT3 состоит в подключении выхода схемы к
источнику напряжения питания UСС = +5 В, что приводит к появлению на выходе схемы высокого уровня напряжения. Задача
VT4 состоит в замыкании вывода (на выходе схемы) на землю, что
приводит к появлению на выходе схемы низкого уровня напряжения.

3

Рис. 1. Схема базового логического элемента ТТЛ 2И-НЕ (а)
и диодного эквивалента многоэмиттерного транзистора VT1 (б)

1.1. Функционирование схемы базового логического элемента
в состоянии выхода с низким уровнем напряжения

Анализ схемы элемента 2И-НЕ можно упростить, используя диодный эквивалент многоэмиттерного транзистора VT1
(рис. 1, б). Диоды VD2 и VD3 фактически представляют собой
два перехода «эмиттер — база» (Э — Б) транзистора VT1, a VD4
соответствует переходу «коллектор — база» (К — Б) того же транзистора.
Рассмотрим случай, когда на выходе логической схемы появляется низкий уровень напряжения (рис. 2, а), т. е. когда на оба входа
А и В подано напряжение +5 В. Такой уровень напряжения на
катодах диодов VD2 и VD3 выключит оба диода, поэтому они
практически не будут пропускать через себя ток. Напряжение +5 В
источника питания приведет к протеканию тока через резистор R1
и диод VD4 на базу транзистора VT2, который при этом включится. Ток с эмиттера этого транзистора потечет на базу VT4 и также
включит его. В то же время ток с коллектора транзистора VT2

4

Рис. 2. Схема базового элемента ТТЛ 2И-НЕ с низким уровнем напряжения на выходе (а) и с высоким уровнем напряжения на выходе (б)

5

приведет к падению напряжения на резисторе R2, которое уменьшит напряжение на коллекторе VT2 до недостаточного для включения транзистора VT3 значения.
Напряжение на коллекторе VT2 приблизительно равно 0,8 В.
Оно складывается из потенциала 0,7 В на эмиттере транзистора
VT2 относительно земли (он вызван прямым напряжением смещения на переходе Э — Б транзистора VT4) и потенциала 0,1 В коллектора VT2 относительно его эмиттера (он вызван напряжением
UКЭ). Это напряжение, равное 0,8 В, соответственно будет наблюдаться и на базе транзистора VT3. Его недостаточно для прямого
смещения перехода Э — Б транзистора VT3 диода VD1. Фактически диод VD1 служит для того, чтобы предотвращать прямое
смещение на переходе Э — Б транзистора VT3.
Когда откроется транзистор VT4, на выходе схемы будет очень
низкий уровень напряжения, так как сопротивление прямосмещенного транзистора крайне мало (1. . . 25 Ом). Напряжение на выходе
схемы зависит от того, какой ток проходит через коллектор транзистора VT4. Поэтому, если транзистор VT3 закрыт, ток с источника
питания +5 В не протекает на выход cхемы через транзистор VT3
и резистор R3.
Важно обратить внимание на то, что при высоких уровнях на
входах А и В значения входных токов очень малые. Значение тока
IIH лежит в пределах не более 40 мкА.

1.2. Функционирование схемы базового логического элемента
в состоянии выхода с высоким уровнем напряжения

Рассмотрим случай (рис. 2, б), когда с выхода схемы снимается
сигнал с высоким уровнем напряжения. Это возможно при наличии на одном или обоих входах схемы низкого уровня напряжения.
Пусть, например, вход В подключен к земле. Нулевой уровень напряжения на нем приведет к прямому смещению диода VD3, что, в
свою очередь, разрешит протекание тока с вывода источника +5 В
через резистор R1, диод VD3 и вывод В на землю. Падение напряжения на диоде VD3 обеспечивает уровень напряжения, равный
0,7 В. Этого напряжения недостаточно для прямого смещения диода VD4 и перехода Э — Б транзистора VT3, т. е. они останутся
закрытыми.

6

Поскольку транзистор VT2 закрыт, на базу транзистора VT4
ток не поступает, поэтому транзистор VT4 окажется запертым.
На коллекторе транзистора VT2 ток также не протекает, поэтому
на базе транзистора VT3 значение напряжения будет достаточно
большим, чтобы сместить в прямом направлении транзистор VT3
и диод VD1, в этом случае транзистор VT3 окажется открытым.
Транзистор VT3 действует как эмиттерный повторитель, потому
что вывод выхода схемы, по существу, подключен к его эмиттеру.
При отсутствии нагрузки на выходе схемы значение напряжения
UОH будет лежать в диапазоне 3,4. . . 3,8 В, потому что из значения напряжения +5 В на базе транзистора VT3 вычитаются два
значения падения напряжения по 0,7 В на диоде VD1 и переходе
Э — Б транзистора VT3. Этот уровень сигнала будет уменьшаться при подключении нагрузки, так как она будет отбирать ток с
эмиттера транзистора VT3, что приведет к появлению тока базы,
протекающего через резистор R2, на котором падение напряжения
увеличивается.
Значение вытекающего входного тока IIL варьируется для различных серий схем ТТЛ и не превышает –1,6 мА (вытекающий ток
имеет знак «минус»).

1.3. Функционирование схемы базового логического элемента
в режиме нагрузки

При наличии низкого уровня напряжения на выходе схема выполняет функцию нагрузки, так как получает ток со входа элемента, которым управляет. Если на выходе устанавливается низкий уровень напряжения (рис. 3), транзистор VT4 открывается и
замыкает точку X на землю. Сигнал с низким уровнем напряжения в точке X приводит к прямому смещению перехода Э — Б
транзистора VT1, поэтому ток течет через транзистор VT4. Таким
образом, транзистор VT4 работает в качестве нагрузки, поскольку
он потребляет часть тока IIL со входа элемента нагрузки. Будем
называть транзистор VT4 нагрузочным транзистором, или транзистором утечки (pull-down), потому что через него ток на выходе
схемы стекает на землю, обеспечивая низкий уровень напряжения.

7

Рис. 3. Функционирование схемы базового логического элемента
2И-НЕ в режиме нагрузки

1.4. Функционирование схемы базового логического элемента
в режиме источника тока

Если на выходе схемы установился высокий уровень напряжения, то выход работает в качестве источника тока (рис. 4). Транзистор VT3 снабжает током IIH транзистор VT1, который служит
нагрузкой схемы. Как было указано выше (см. рис. 2, б), этот ток
представляет собой очень малый обратный ток утечки. Транзистор
VT3 работает в качестве источника тока и называется транзистором установки рабочей точки (pull-up) на транзисторе VT4.

8

Рис. 4. Функционирование схемы базового логического элемента
2И-НЕ в режиме источника тока

1.5. Схема двухтактного выхода базового логического
элемента 2И-HE

Следует остановиться на двухтактном выходе схем ТТЛ, (см.
рис. 3 и 4), чтобы понять особенности его работы. В принципе ту
же логику работы можно получить, если убрать транзистор VT3 и
диод VD1, присоединив нижний вывод резистора R4 к коллектору
транзистора VT4. Однако такое подключение будет означать, что

9

через транзистор VT4 протекает достаточно большой ток насыщения (5 В/130 Ом = 40 мА). Если же в схеме имеется транзистор
VT3, то при низком уровне напряжения на выходе схемы через
резистор R4 ток протекать не будет. Это важно, поскольку потребляемая схемой мощность уменьшается.
Другая особенность двухтактной структуры проявляется при
высоком уровне напряжения на выходе схемы. В этом случае транзистор VT3 работает как эмиттерный повторитель, к которому
подключен резистор с низким выходным сопротивлением (около
10 Ом). Данное значение сопротивления обеспечивает малую постоянную времени при заряде любой емкости нагрузки на выходе схемы, что приводит к малым значениям времени нарастания
фронтов сигналов на выходе микросхемы.
Недостаток двухтактного выхода заключается в том, что при
переходе от низкого уровня напряжения к высокому транзистор
VT4 закрывается медленнее, чем открывается транзистор VT3, и
поэтому в течение нескольких наносекунд оба транзистора открыты и проводят ток. В результате с источника питания напряжением
+5 В потребляется относительно большой ток (30. . . 40 мА).

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОСХЕМ
ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ

Все микросхемы ТТЛ имеют похожую структуру. Элементы
И-НЕ, И используют многоэмиттерные транзисторы или несколько
диодов на входе, элементы ИЛИ-НЕ и ИЛИ — отдельные транзисторы. Однако в любом случае на входе имеется р — n-переход.
Поэтому высокий уровень входного напряжения закрывает переход, в результате чего через него проходит крайне малый ток утечки
(IIН). Низкий уровень сигнала открывает р — n-переход, и через
него от источника сигнала начинает протекать относительно большой ток (IIL). Микросхемы ТТЛ имеют выход, построенный в виде
двухтактного каскада.
Схемы базового логического элемента, рассмотренные в разд. 1,
применены в первых отечественных стандартных сериях микросхем 155 и 133 (зарубежными аналогами являются серии 74 и 54).
Рассмотрим технические характеристики микросхем ТТЛ указанных серий.

10