Ден Томел - Поиск неисправностей в электронике

Каскóд — тип схемы, образованной последовательным соединением двух транзисторов, причем эмиттер верхнего транзистора соединен с коллектором нижнего. Но в каскоде транзисторы, как правило, работают в активном, а не в ключевом режиме, поэтому выходной каскад ТТЛ проще считать противофазно работающими ключами.

Двухтранзисторный каскод образован R4, Q3, D2, Q4. Его задача заключается в том, чтобы переключить напряжение 5 В на выход при высоком уровне выходного сигнала (с использованием R4, Q3, D2), и соединить вход с землей 0 В при низком уровне выходного сигнала (с использованием Q4). Обратите внимание на различия между двумя переключающими цепями. Когда выход низкий, включается Q4 и его коллектор имеет напряжение очень близкое к земле (V ce(sat)= 0). Это образует очень результативный и эффектный переключатель.

С другой стороны, верхняя часть двутранзисторного каскода должна подавать ток от источника питания для обеспечения высокого логического уровня. Этот ток должен пройти через R4, Q3, D2 прежде, чем он попадет на выходной вывод и нагрузку. Поскольку на диоде падение напряжения составляет 0,7 В, на резисторе R4 также присутствует напряжение, пропорциональное току нагрузки, то выходное напряжение определенно не станет близко к 5 В. В действительности выход ТТЛ обычно меньше 4 В, а часто даже меньше, чем 3,5 В, даже при минимальной нагрузке.

Поэтому очевидно, что каскад гораздо лучше пропускает ток от нагрузки на землю, чем ток от источника с V ccна нагрузку. Каскадный выход ТТЛ лучше выполняет отвод тока, поскольку схема переключения, контролирующая соединение выхода с землей, более эффективна, чем переключатель на V cc.

Важное значение имеет также природа входных сигналов ТТЛ. Когда на вход подается низкий уровень, ток течет от V ccчерез R1, через бузу Q1 на эмиттер и затем из входа. Когда используется положительная логика, тока почти нет. Вход ТТЛ является гораздо большей нагрузкой для источника выходного сигнала с низким выходом, чем для источника с высоким выходом. Это объясняет также, почему вход схемы ТТЛ, в которой произошел обрыв, работает так, как будто на него был подан сигнал высокого уровня.

Есть также два других типа выходных цепей, которые используются в некоторых приборах ТТЛ. Они называются схемами с выходным транзистором с открытым коллектором и схемами с выходом с тремя состояниями.

Схема с открытым коллектором показана на рис. 7.16. Заметьте, что в ней нет верхней части двухтранзисторного выходного каскода.

Рис. 7.16. Схема ТТЛ с выходным транзистором с открытым коллектором

Этот тип востребован, когда пытаются использовать схему ТТЛ для работы с прибором, который не рассчитан на 5 В, как показано на рис. 7.17.

Рис. 7.17. Работа с нагрузкой, требующей высокого напряжения

Выход таких приборов не может дать напряжение, даже когда логический уровень высок. Часто вместо верхней части каскадного выхода с этими приборами используется внешний резистор, подключенный к цепи питания, который должен обеспечить высокий уровень сигнала.

Можно соединить вместе выходы нескольких схем с открытым коллектором, как показано на рис. 7.18.

Рис. 7.18. «Монтажное И» с шестью входами на основе использования схем с открытым коллектором

Поскольку ни одна их них не выдает высокого выходного уровня напряжения, не возникает соединений между уровнями высокий и низкий, как имело бы место при использовании каскадного выхода. Единственный способ сделать выход высоким, заключается в том, чтобы сделать высоким уровень всех схем. Поэтому такое подключение называется «Монтажное И».

Выходы ТТЛ с тремя состояниями могут отключать одновременно и верхнюю, и нижнюю часть двутстранзисторного каскодного выхода с помощью воздействия на управляющий вход кристалла. Это переводит выход в состояние «высокого импеданса», которое используется, когда несколько выходов разделяют одну линию соединения. В главе 9 эта концепция рассмотрена более подробно.

КМОП

Вскоре после появления ТГЛ была разработана новая технология, в которой использовался другой тип транзистора, не такой, как в схемах ТТЛ. Металл оксид-полупроводниковые полевые транзисторы MOSFET (полевые МОП-транзисторы) имеют 3 вывода, которые называются сток, исток и затвор и соответствуют коллектору, эмиттеру и базе биполярного транзистора.

Эти транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление между затвором и двумя другими выводами. Когда такие транзисторы используются для построения логических схем с помощью комбинирования дополнительных пар транзисторов, результирующие логические схемы называют комплементарными металл-оксид-полупроводниковыми CMOS (КМОП).

В 1970–1980 годах схемы КМОП считались приборами с низким потреблением и недостаточным быстродействием. Однако технология улучшилась до такой степени, что КМОП-логика стала не менее быстродействующей, чем большинство серий ТТЛ при значительной экономии мощности. Поэтому большинство новых логических приборов выполняются именно на основе схем КМОП.

Благодаря высокому входному сопротивлению затворов вход схем КМОП почти не потребляет ток от предыдущей схемы. Термин комплементарный означает, что в каждом приборе КМОП два типа транзисторов — полевые МОП-транзисторы n -типа и полевые МОП-транзисторы р -типа.

Первые переключаются (при этом происходит замыкание стока на исток) при подаче положительного напряжения на затвор. Транзисторы p -типа переключаются, когда на затвор подается 0 В. Схемы потребляют очень малый ток от источника питания вследствие комплементарной природы цепей, как показано на рис. 7.19. Заметьте, что не возникает завершенного пути для тока от V ddдо V ss. Выход замыкается на V ddпри высоком уровне и замыкается на V ssпри низком.

Рис. 7.19. Схема ИЛИ-HEтехнологии КМОП

Полевые КМОП-транзисторы, имеют большее по сравнению с биполярными транзисторами сопротивление сток-исток во включенном состоянии в десятки и даже сотни Ом.

Если через полевые КМОП-транзисторы течет слишком большой ток, выходное напряжение рискует превысить допустимый уровень, тогда рассеиваемая мощность разрушит транзистор. Если через выход течет слишком малый ток, напряжение на выходе будет очень близким к величине V ddили V ss. Характеристики и методы тестирования таких транзисторов описаны в главе 1 .