Circuite logice cu tranzistoare bipolare

Circuite logice cu tranzistoare bipolare

In prezent se tinde tot mai mult sa se inlocuiasca circuitele logice realizate cu componente discrete (individuale) prin circuite realizate monolitic (cu corp solid). Introducerea acestor dispozitive conduce nu numai la micsorarea dimensiunilor, greutatii si puterii consumate ci si la cresterea substantiala a sigurantei in functionare a circuitelor. Ultimul avantaj a fost factorul decisiv care a condus la dezvoltarea si asimilarea circuitelor integrate.

In circuitele integrate (CI) nu exista piese discrete separate, functiile acestora fiind indeplinite de anumite domenii ale unui corp solid (de exemplu un cristal de siliciu), domenii care sunt analoge rezistoarelor, condensatoarelor, diodelor sau tranzistoarelor. Domeniile amintite ale corpului solid se formeaza prin procese tehnologice speciale /20, 48/.

Primul circuit integrat a fost realizat in 1959 in S.U.A. si a constituit o copie exacta, in versiune integrata, a unui circuit logic cu componente discrete. In primii ani de fabricatie industriala a CI (1960-1963) schemele electrice ale acestora erau copii ale circuitelor logice cu componente discrete. Din aproape in aproape tehnica CI a evoluat de la familia RTL prin RTCL (cu condensator de accelerare), DCTL, la diferite tipuri DTL. De la circuitele DTL au derivat circuitele logice integrate de tip TTL (Transistor-Transistor-Logic) care constituie baza circuitelor logice integrate din prezent cu tranzistoare bipolare. In cazul CI TTL (denumite uneori si T2L) diodele din circuitele DTL au fost inlocuite cu tranzistoare multiemitor care se pot realiza avantajos numai in tehnologie integrata. In fig.1 sunt prezentate circuite logice DTL si TTL pentru constructie monolitica. In cazul circuitelor DTL (fig.1a)

se observa ca rezistorul de limitare a curentului in baza a fost inlocuit cu diodele Ds. Acest lucru permite cresterea gradului de imunitate la perturbatii, tranzistorul saturandu-se numai atunci cand se asigura in punctul A un potential suficient pentru deschiderea diodelor Ds. In constructie TTL simplificata (fig.1) locul diodelor de intrare si din baza il iau jonctiunile tranzistorului multiemitor (conventional) T1: fiecare dioda baza-emitor constituie o intrare, iar dioda baza-colector functioneaza ca dioda serie. Cele doua circuite din fig.1 realizeaza in logica pozitiva functia NUMAI, care este predominant materializata in versiune integrata. Astfel, la circuitul TTL daca toate intrarile circuitului sunt 1 logic (nivel apropiat de +Ec) diodele de intrare sunt blocate. Dioda baza-colector fiind polarizata direct, curentul injectat in baza tranzistorului (conventional) T2 prin rezistorul R il aduce in saturatie si la iesire se obtine semnal 0 logic (apropiat de potentialul masei). Daca cel putin una din intrari este actionata cu semnal 0, dioda respectiva conduce si curentul din baza lui T2 este comutat la masa. Din acest motiv aceste circuite sunt cunoscute ca functionand cu logica de comutare a curentului de baza sau prescurtat BCSL (Baze Current Switching Logic). Ca urmare tranzistorul T2 se blocheaza si la iesire se obtine semnal 1 logic.

Datorita cuplajului direct intre tranzistoare, CI descrise lucreaza cu tensiuni de alimentare coborate (tipic Ec=+-5V). Pentru a avea si in acest caz o capacitate ridicata de sarcina la un numar acceptabil de intrari, in locul tranzistorului T2 se foloseste un montaj cu sarcina activa, cu functionare in contra-timp denumit si "totem pole stage". In fig.2 este prezentata schema CI de tip SI-NU care sta la baza circuitelor logice actuale.

Diodele D1.D3 realizeaza protejarea circuitului la semnale negative aplicate la intrare. Tranzistorul conventional T2 are rol de defazor, asigurand comanda in contratimp a tranzistoarelor conventionale T3 si T4. Rezulta ca cele doua tranzistoare nu trebuie sa fie

deschise simultan, ele functionand alternativ blocat-saturat.

1.In cazul cand toate intrarile sunt actionate cu semnale 1, diodele de intrare sunt blocate. In acest caz, prin jonctiunea baza-colector a tranzistorului multiemitor T1, se injecteaza in baza lui T2 un curent suficient pentru saturare. Fiind in montaj repetitor pe emitor, T2 asigura saturarea si a tranzistorului T4 si la iesire se obtine semnal 0. Colectorul tranzistorului T2 prezinta un potential determinat de tensiunile reziduale U_CsT1 si U_BsT4. Daca pentru inceput nu se considera dioda D, valoarea tensiunii baza-emitor a tranzistorului T3.

U_BET3=U_BsT4+U_CsT2-U_CsT4=U_BsT4=0,7V,

Este apropiata de valoarea de saturatie. Este deci posibil ca si T3 sa se mentina in conductie. Pentru a evita aceasta situatie si a realiza o blocare sigura a lui T3 s-a introdus o tensiune de prag prin dioda D, cand tensiunea baza-emitor devine:

U_BET3=U_BsT4+U_CsT2-(U_CsT4+U_D)=0V.

2.Daca la o intrare sau mai multe se aplica semnal 0, curentul din baza lui T2 este comutat la masa prin tranzistorul multiemitor. Blocarea lui T2 atrage si blocarea lui T4. Simultan, in baza tranzistorului T3 se injecteaza un curent suficient pentru saturare. La iesire se obtine in acest caz semnal logic 1.

In regim tranzitoriu, determinat de trecerea semnalului la intrari din 0 in 1, toate tranzistoarele conduc. Pentru ca sursa de alimentare sa nu fie scurtcircuitata prin T3-D-T4, s-a introdus rezistorul de 130 de ohmi.

Avantajele circuitelor TTL

Folosirea tranzistorului multiemitor asigura cateva avantaje greu de obtinut in alt mod. Cand semnalul la orice intrare este 0, jonctiunea baza-emitor a tranzistorului T1 este polarizata direct, fapt ce conduce la saturarea acestuia. In acest caz, prin T1 se realizeaza o cale de impedanta minima care asigura eliminarea rapida a sarcinii stocate in baza lui T2. Rezulta un timp de comutare inversa mult mai bun decat la alte tipuri de circuite logice integrate. Un alt avantaj al folosirii tranzistorului multiemitor consta in inlocuirea combinatiilor de diode, rezistoare si tranzistoare din alte tipuri de circuite. Aceasta atrage o geometrie redusa cu capacitati parazite mici si viteze mari de comutare. De asemenea, dimensiunea redusa conduce la un pret redus sau la posibilitatea realizarii mai multor circuite pe aceeasi structura (cip) de SI. In tabelul tab.1 sunt prezentate comparativ diferite variante de circuite logice integrate cu principalele caracteristici: intarziere pe circuit (t), putere disipata (P), factor de calitate, prag de perturbare, fan in (n), fan aut (m) si integrabilitatea.

Din analiza tabelului se explica de ce in prezent cel mai construit tip de CI este TTL. Constructia etajului de iesire in contratimp asigura o impedanta redusa a sursei de semnal. Aceasta explica timpul foarte redus de comutare si capacitatea mare de comanda. Chiar si in cazul sarcinilor capacitive impedanta redusa de iesire asigura timpi de comutare foarte buni. In tara noastra, la I.P.R.S.- Baneasa, se construiesc CI TTL avand la baza circuitul din fig.2, in serie CDB. In afara de circuite SI-NU cu 2, 3, 4 si 8 intrari se construiesc CI care materializeaza functiile NU, SI si SI-SAU-NU.

Alimentarea se realizeaza la Vcc=+55% si asigura un fan out de 10 pentru 0 logic si 20 pentru 1 logic. Semnalul 0 logic corespunde unor nivele de tensiune cuprinse intre 0V si 0,8V la intrare si intre 0V si 0,4V la iesire, iar 1 logic corespunde unor nivele cuprinse intre 2V si Vcc la intrare si 2,4V si Vcc la iesire. Se realizeaza de asemenea si circuite avand colectorul tranzistorului de iesire in gol (cu posibilitatea conectarii in exterior a rezistorului si realizarea functiei SI-cablat) precum si circuite de putere ( asigura un curent la iesire in starea 0 logic de 48 mA fata de 16 mA la circuitele normale). Detalii privind performantele statice si dinamice se obtin consultand /48, 52/. Circuitele mentionate sunt fabricate pentru realizarea echipamentelor numerice dispuse in medii cu nivel coborat al perturbatiilor. In industrie, datorita nivelului ridicat de perturbatii aceste circuite nu sunt sigure in functionare, cresterea insensibilitatii realizandu-se greu /28, 48/. Din acest motiv in industrie se prefera si se utilizeaza circuite mai lente dar care sa aiba un grad ridicat de imunitate la perturbatii. In fig.3 este prezentata schema unui astfel de circuit cu alimentare intre 12 si 18V si prag static de perturbare de 5-7V ca urmare a inserarii unei diode zener. Aceste circuite sunt cunoscute sub denumirea de circuite DTLZ sau HLL (High-Level-Logic). Cand la ambele intrari se aplica semnal 1 (apropiat de +E) T1 si T2 sunt deschise si la iesire se obtine semnal 0. La aplicarea la intrare a semnalului 0 cele doua tranzistoare se blocheaza si la iesire se obtine semnal 1. la trecerea semnalului la intrare din 0 in 1 tranzistorul T1 se deschide abia dupa ce se depaseste tensiunea de deschidere a diodei zener, asigurandu-se astfel pragul de perturbare. Tranzistorul T1 lucrand ca repetor asigura o impedanta mare de intrare si o capacitate de sarcina ridicata. Reactia negativa colector-baza asigura stabilitatea circuitului la dispersia de fabricatie a amplificarii in curent a tranzistorului T1.