 |
Микросхемы ТТЛ с транзисторами Шоттки (ТТЛШ)
|
|
|
|
Микросхемы этого вида среди других изделий ТТЛ имеют максимальное быстродействие, которое сочетается с умеренным потреблением мощности. Эти качества достигаются за счёт введения в схему метало-полупроводниковых выпрямляющих контактов (диодов с барьерами Шоттки, или, короче, диодов Шоттки).
По принципу действия диоды Шоттки существенно отличаются от диодов, работа которых основана на свойствах электронно-дырочного (p-n)-перехода. В p-n-переходе, смещенном в прямом направлении, перенос тока обусловлен инжекцией неосновных носителей из одной области полупроводника в другую, вследствие чего после переключения приложенного напряжения с прямого на обратное ток протекает некоторое время, пока избыточная концентрация неосновных носителей не снизится до нуля (время рассасывания).
В диодах Шоттки накопления неосновных носителей не происходит, так как перенос тока в них обусловлен переходом (эмиссией) основных носителей из полупроводника в металл. Благодаря этому их время выключения очень мало (до 100 пс) и не зависит от температуры. Для p-n - переходов это время составляет 1-100 нс.
Другое достоинство диодов Шоттки состоит в том, что для отпирания их требуется напряжение 0,2 - 0,4 В против 0,4 – 0,7 В для диодов с p-n-переходом и может регулироваться подбором металла, образующего контакт с полупроводником.
В обычных микросхемах ТТЛ открытые транзисторы находятся в состоянии насыщения, при котором эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении и инжектируют. Это создает избыточное количество неосновных носителей в базовой и коллекторной областях, которые, как и в случае одиночного перехода, удлиняют выключение транзистора.
|
|
|
Диоды Шоттки подключаются параллельно коллекторному переходу транзистора и придают этому транзистору ряд новых качеств (рисунок 3.5).
а) б) в)
Рисунок 3.5
а) распределение напряжения в насыщенном транзисторе; б) биполярный транзистор с диодами Шоттки; в) условное изображение транзистора Шоттки
Изготавливаются диоды Шоттки на общем кристалле одновременно с остальными элементами в едином технологическом процессе. Транзисторы с диодами Шоттки часто называют транзисторами с барьером Шоттки или просто транзисторами Шоттки.
Когда транзистор заперт или находится в ненасыщенном режиме, потенциал коллектора выше потенциала базы, а значит, диод смещен в обратном направлении и не влияет на работу транзистора. Если в процессе отпирания транзисторов потенциал коллектора становится ниже потенциала базы, диод открывается и на нем устанавливается прямое напряжение Uд. Поскольку это напряжение меньше 0,5 В, то коллекторный переход практически заперт, а следовательно, не возникает режима насыщения и связанных с ним двойной инжекции и накопления избыточных зарядов. Благодаря этому при запирании транзистора исключается задержка, вызываемая рассасыванием избыточного заряда.
На рисунке 3.5 б указаны напряжения на электродах транзистора. Остальное напряжение на коллекторе транзистора Шоттки составляет 0,2–0,3 В, т.е. не много больше, чем на обычном насыщенном транзисторе. Если бы на месте диода Шотки находился кремниевый диод с p-n-переходом (Uд =0,7 В), то для получения ненасыщенного режима транзистора понадобилось бы создать последовательно с диодом встречное напряжение 0,2-0,3 В, чтобы снизить напряжение между базой и коллектором.
На рисунке 3.6 показаны принципиальная схема и передаточные характеристики.
а)
б)
Рисунок 3.6
а) принципиальная схема; б) передаточные характеристики
В микросхемах ТТЛ с диодами Шоттки, как и в универсальных сериях ТТЛ, переключения сопровождаются бросками тока в цепи питания; потребляемая мощность быстро растет с частотой переключений. Если в статическом режиме микросхема ТТЛШ потребляет практически такую же мощность, как и сходный прибор универсальных серий ТТЛ, то при частоте переключений 50 МГц рассеиваемая мощность удваивается, а при 100 МГц – утраивается.
|
|
|
В маломощных микросхемах ТТЛ с диодами Шоттки сочетаются высокое быстродействие с умеренным потреблением мощности: при одинаковом с универсальным элементом ТТЛ быстродействии потребляемая здесь мощность в пять раз меньше.
Принципиальная схема базового элемента ТТЛШ 555 дана на рисунке 3.7. В целом она повторяет рассмотренные ранее схемы элементов ТТЛ, но отличается от них тем, что на входе вместо многоэмиттерного транзистора стоят диоды Шоттки, благодаря чему свободные входы могут непосредственно подключаться к шине питания.
Если оба входных сигнала Х1 и Х2 имеют высокий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1 и VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня.
Допустимые помехи для этих серий немного меньше ввиду того, что между базой входного транзистора и землей находятся два p-n-перехода, а не три, как у микросхем ТТЛ других серий.
И еще один важный момент. Суммарная мощность, рассеиваемая микросхемой, ограничена некоторой предельной величиной, определяемой типом используемого корпуса. Так, для пластмассового корпуса с 14 выводами максимальная мощность составляет 0,5 Вт, что накладывает существенные ограничения на ее функциональную сложность. По этой причине обычные ТТЛ - схемы, а также схемы ТТЛШ не подходят для БИС. Поскольку маломощные микросхемы с диодами Шоттки потребляют примерно в 5 раз меньшую мощность, то на одном кристалле можно разместить в 5 раз больше транзисторов и других элементов без превышения норм перегрева.
Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости, напряжению питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.
|
|
|
Сравнительно с другими сериями семейства ТТЛ маломощные микросхемы ТТЛШ наиболее привлекательны для использования в аппаратуре, работающей с высокой производительностью.
а)
б)
Рисунок 3.7
а) принципиальная схема; б) передаточные характеристики
|
|
|
