Выходной ттл-каскад с открытым коллектором

 

Полезная модель относится к интегральным микроэлектронным устройствам на биполярных транзисторах, выдающих сигналы в стандарте транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), получаемые преобразованием внутренних токовых логических сигналов. Ее технический результат, заключающийся в повышении устойчивости устройства к уменьшению величин коэффициентов передачи тока транзисторов, достигается введением в выходной ТТЛ каскад токоограничивающего транзистора 4 NPN структуры, второго резистора 9 смещения и выполнением их связей. На схеме устройства также обозначены первый токозадающий транзистор 1 PNP структуры, второй токозадающий NPN транзистор 2, NPN транзистор 3 ограничения напряжения, потенциалозадающий резистор 5, первый и второй токозадающие резисторы 6 и 7, первый резистор 8 смещения. 1 п. ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к интегральным микроэлектронным устройствам на биполярных транзисторах, выдающим сигналы в стандарте транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), получаемые преобразованием внутренних токовых логических сигналов. Данное устройство может быть использовано, например, в компараторах уровней электрических сигналов или в преобразователях сигналов эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) в ТТЛ сигналы.

Известное выполнение выходного ТТЛ каскада с открытым коллектором, примененное в ЭСЛ-ТТЛ преобразователе, описанном в патенте Японии 9107283 ПК: Н03К 19/018, опубликованном 22 апреля 1997 г. [1], содержит первый токозадающий транзистор PNP структуры, база и эмиттер которого через потенциалозадающий и первый токозадающий резисторы соответсвенно подключены к шине положительного напряжения питания, база первого токозадающего транзистора является входом устройства, второй токозадающий транзистор NPN структуры, эмиттер которого подключен к шине нулевого потенциала, база соединена с коллектором первого токозадающего транзистора, а коллектор является выходом устройства, второй токозадающий резистор, подключенный между эмиттером и базой второго токозадающего транзистора.

Данное устройство обладает низким быстродействием при переключении выходного напряжения из низкого уровня в высокий, что вызвано насыщением второго токозадающего транзистора, формирующего выходные сигналы.

Этого недостатка лишено устройство, описанное в источнике - Сдвоенные маломощные компараторы напряжения 597СА3А, БТАР, 597СА3А, БТ1АР, 597СА3Н4АР. Спецификация. Акционерное общество ALFA, Рига, Латвия, www.alfarzpp.lv/rus/sc/597ca3.pdf, 2009, с.8 [2]. Устройство дополнено элементами, предотвращающими насыщение второго токозадающего транзистора. Это резистор смещения, заменивший непосредственную связь коллектора и базы соответственно первого и второго токозадающих транзисторов, и NPN транзистор ограничения напряжения, база и коллектор которого соответственно соединены с коллектором и эмиттером первого токозадающего транзистора, а эмиттер подключен к выходу устройства. По технической сущности такой выходной ТТЛ каскад с открытым коллектором наиболее близок к предложенному техническому решению.

Транзистор ограничения напряжения не позволяет напряжению коллектора второго токозадающего транзистора снижаться до уровня, вызывающего его насыщение. Уровень ограничения коллекторного напряжения соответствует падению напряжения на резисторе смещения, ток в котором формирует второй токозадающий резистор.

Недостатком устройства - аналога является нарушающее нормальную работу повышение напряжения низкого уровня на выходе при уменьшении величин коэффициентов передачи тока транзисторов, вызванном, например, длительным воздействием гамма-излучения. Повышение низкого выходного уровня вызвано тем, что обусловленное снижением коэффициента увеличение базового тока второго токозадающего транзистора приводит к повышению падения напряжения на резисторе смещения.

Технический результат полезной модели, заключающийся в повышению устойчивости устройства к уменьшению величин коэффициентов передачи тока транзисторов, достигается в выходном ТТЛ каскаде с открытым коллектором, содержащем первый токозадающий транзистор PNP структуры, база и эмиттер которого через потенциалозадающий и первый токозадающий резисторы соответсвенно подключены к шине положительного напряжения питания, база первого токозадающего транзистора является входом устройства, второй токозадающий транзистор NPN структуры, эмиттер которого подключен к шине нулевого потенциала, а коллектор является выходом устройства и соединен с эмиттером NPN транзистора ограничения напряжения, коллектор которого соединен с эмиттером первого токозадающего транзистора, второй токозадающий резистор, подключенный между эмиттером и базой второго токозадающего транзистора, резистор смещения, подключенный между базами второго токозадающего транзистора и транзистора ограничения напряжения, дополнительным введением токоограничивающего транзистор NPN структуры, коллектор и эмиттер которого соответственно подключены к шине положительного напряжения питания и к базе второго токозадающего транзистора, и второго резистора смещения, первый вывод которого подключен к базе транзистора ограничения напряжения, а второй вывод соединен с коллектором первого токозадающего транзистора и с базой токоограничивающего транзистора.

Указанное выполнение выходного ТТЛ каскада с открытым коллектором позволяет стабилизировать напряжение на первом резисторе смещения в условиях повышения тока базы второго токозадающего транзистора.

Отличительными признаками полезной модели являются дополнительное введение в устройство токоограничивающего транзистора, второго резистора смещения и выполнение их связей.

Полезная модель поясняется чертежом Фиг.1, на котором изображена электрическая схема выходного ТТЛ каскада с открытым коллектором.

Выходной ТТЛ каскад с открытым коллектором, содержащий первый токозадающий трнзистор 1 PNP структуры, второй токозадающий транзистор 2 NPN структуры, NPN транзистор 3 ограничения напряжения и токоограничивающий NPN транзистор 4, а также потенциалозадающий резистор 5, первый и второй токозадающие резисторы 6 и 7, первый и второй резисторы 8 и 9 смещения. База первого токозадающего транзистора 1 вляется входом устройства и через потенциалозадающий резистор 5 соединена с шиной положительного напряжения питания +UП, к которой через первый токозадающий резистор 6 также подключены, эмиттер первого токозадающего транзистора 1 и коллектор транзистора 3 ограничения напряжения. Эмиттер второго токозадающего транзистора 2 подключен к шине нулевого потенциала, а коллектор является выходом устройства и соединен с эмиттером транзистора 3 ограничения напряжения. Второй токозадающий резистор 7 подключен между эмиттером и базой второго токозадающего транзистора 2. Первый резистор 8 смещения подключен между базами второго токозадающего транзистора 2 и транзистора 3 ограничения напряжения. Коллектор и эмиттер токоограничивающего транзистора 4 соответственно подключены к шине положительного напряжения питания +UП и к базе второго токозадающего транзистора 2. Первый вывод второго резистора 9 смещения подключен к базе транзистора 3 ограничения напряжения, а второй вывод соединен с коллектором первого токозадающего транзистора 1 и с базой токоограничивающего транзистора 4.

Устройство работает следующим образом.

В отсутствии тока во входе напряжение на резисторе 5 равно нулю, также как на резисторе 6 и эмиттерном PN переходе транзистора 1, тока в его коллекторе, а следовательно, и в резисторах 7, 8, 9 нет. Напряжения на эмиттерных PN переходах транзисторов 2 и 4, поэтому, равны нулю. В результате транзистор 2 формирования выходного тока выключен, что соответствует состоянию логической единицы на выходе.

Состояние логического нуля возникает на выходе при появлении вытекающего входного тока достаточной величины, который разветвляется в базу транзистора 1 и в резистор 5. Напряжение на резисторе 5 должно обеспечивать отпирание эмиттерного PN перехода транзистора 1 и формирование необходимой разности потенциалов на резисторе 6, определяющего ток IK1 в коллекторе транзистора 1 согласно выражению:

где N1 - коэффициент передачи эмиттерного тока транзистора 1,

IBX - абсолютная величина входного тока,

UЭБ1 - разность потенциалов эмиттера и базы транзистора 1,

R5 и R6 - сопротивления резисторов 5 и 6.

Коллекторный тока транзистора 1 протекает в резисторах 7, 8, 9, частично ответвляясь в базу транзистора 2, если падение напряжения на резисторе 7 достаточно для открытия эмиттерного PN перехода транзистора 2. Выходной ток устройства, задаваемый коллекторным током I K2 транзистора 2, может достигать величины:

где N2 - коэффициент передачи эмиттерного тока транзистора 2,

UБЭ2 - база-эмиттерное напряжение транзистора 2,

R7 - сопротивление резистора 7.

Ток на выходе устройства должен обеспечивать требуемое падение напряжения на подключенной к выходу нагрузке и, если коллекторный ток транзистора 2 избыточен для этого, его избыток ответвляется через эмиттер-коллектор транзистора 3 в резистор 6. Это происходит, когда напряжение на выходе устройства опускается до уровня, открывающего эмиттерный PN переход транзистора 3, базовое напряжение которого выше базового напряжения транзистора 2 на величину разности потенциалов выводов резистора 8, пропускающего ток, в основном состоящий из тока резистора 7.

Величина UR8 смещения потенциала на базе транзистора 3 вверх относительно базового потенциала транзистора 2 установлена такой, чтобы не допустить снижение напряжения на его коллекторе до уровня, при котором открывается коллекторный PN переход транзистора 2 и он входит в насыщение, что замедляет переключение устройства из нулевого логического состояния в единичное.

Нормальный активный режим транзистора 2 поддерживает отрицательная обратная связь, реализованная посредством подключения к узлу эмиттера транзистора 1 коллектора транзистора 3, ток которого ответвляет часть тока резистора 6 из эмиттера транзистора 1, уменьшая в результате и базовый ток транзистора 2 до необходимой для нормального активного режима величины.

Уменьшение значения коэффициента N1 передачи тока транзистора 1 согласно формуле (1) приводит к уменьшению его коллекторного тока IK1 , поэтому его номинальное значение имеет запас, компенсируемый обратной связью через транзистор 3. Однако, при уменьшении значения коэффициента N2 передачи тока транзистора 2 IK1 становится недостаточным для поддержания определяемой нагрузкой величины тока IK2, см. формулу (2), в которой заключенная в скобки часть, представляющая базовый ток транзистора 2, должна увеличиваться для сохранения значения IK2. Функцию компенсации увеличения базового тока транзистора 2 выполняет транзистор 4 вместе с резисторами 8 и 9.

Когда величина коэффициента N2 достаточно высока, базовый ток транзистора 2 вместе с током резистора 7 создает на резисторах 8 и 9 падения напряжений, сумма которых недостаточна для открывания шунтируемого резисторами 8 и 9 эмиттерного PN перехода транзистора 4. Транзистор 4 закрыт и не оказывает влияние на работу устройства. Выходное напряжение при этом с высокой степенью приближения соответствует выражению:

Увеличение тока в базе транзистора 2 повышает падение напряжений на резисторах 8 и 9 до тех пор, пока не откроется транзистор 4, который после этого все возрастающие далее излишки тока направляет в шину +UП. Этим поддерживается значение тока IK2, обеспечивающее заданный уровень выходного напряжения, мало зависящий от изменений выходного тока:

Таким образом, выходной ТТЛ каскад с открытым коллектором формирует выходное напряжение логического нуля установленного уровня в заданном диапазоне токов нагрузки в условиях уменьшения значений коэффициентов передачи тока составляющих его транзисторов, не допуская их насыщения.

Выходной ТТЛ каскад с открытым коллектором, содержащий первый токозадающий транзистор PNP структуры, база и эмиттер которого через потенциалозадающий и первый токозадающий резисторы соответственно подключены к шине положительного напряжения питания, база первого токозадающего транзистора является входом устройства, второй токозадающий транзистор NPN структуры, эмиттер которого подключен к шине нулевого потенциала, а коллектор является выходом устройства и соединен с эмиттером NPN транзистора ограничения напряжения, коллектор которого соединен с эмиттером первого токозадающего транзистора, второй токозадающий резистор, подключенный между эмиттером и базой второго токозадающего транзистора, резистор смещения, подключенный между базами второго токозадающего транзистора и транзистора ограничения напряжения, отличающийся тем, что дополнительно содержит токоограничивающий транзистор NPN структуры, коллектор и эмиттер которого соответственно подключены к шине положительного напряжения питания и к базе второго токозадающего транзистора, и второй резистор смещения, первый вывод которого подключен к базе транзистора ограничения напряжения, а второй вывод соединен с коллектором первого токозадающего транзистора и с базой токоограничивающего транзистора.



 

Наверх