ΕΝΟΤΗΤΑ 2Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ TTL Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, «Ενίσχυση Σπουδών Πληροφορικής», ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ Ιωάννη Καλόμοιρου, Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα ΕΝΟΤΗΤΑ 2Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ TTL Ημιαγωγικές διατάξεις και ολοκληρωμένα κυκλώματα Διατάξεις διπολικής λογικής: η οικογένεια TTL Τρανζίστορ Schottky Προδιαγραφές εισόδων και εξόδων Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά

ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Οι ημιαγωγοί είναι στερεά υλικά, που η αντίστασή τους είναι μεγαλύτερη των μετάλλων και μικρότερη των μονωτών. Έχουν τεράστια σημασία στη σύγχρονη ηλεκτρονική, καθώς η ηλεκτρική τους συμπεριφορά μπορεί να ρυθμιστεί με τη βοήθεια προσμίξεων. Συμπεριφορά των ημιαγωγών με τη θερμοκρασία: Σε χαμηλή θερμο-κρασία είναι σχεδόν μονωτές. Σε ψηλές θερμοκρασίες, ηλεκτρόνια μεταπηδούν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, οπότε η αγωγιμότητα αυξάνει εκθετικά με τη θερμοκρασία. Στο παραπάνω ενεργειακό διά-γραμμα φαίνεται το ενεργειακό χάσμα ενός ημιαγωγού, καθώς και η δημιουργία οπής από τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου. Τυπικοί ημιαγωγοί στις ηλεκτρο-νικές διατάξεις: Πυρίτιο (Si) και Γερμάνιο (Ge).

Προσμίξεις τύπου n και p σε ημιαγωγούς Με αντικατάσταση ενός αριθμού ατόμων Ge στο πλέγμα με πεντασθενή άτομα As προκύπτει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο ανά άτομο πρόμιξης, που εύκολα μπορεί να γίνει ελεύθερο. Έτσι προκύπτει n-τύπου ημιαγωγός. Με αντικατάσταση ατόμου του μητρικού πλέγματος με άτομα τρισθενή προκύπτει μια στάθμη που μπορεί εύκολα να ιονιστεί δημιουργώντας ταυτόχρονα οπές στο πλέγμα. Έτσι έχουμε p-τύπου ημιαγωγό.

Ηλεκτρόνια και οπές σε n και p τύπου ημιαγωγούς Φορείς σε ημιαγωγούς με προσμίξεις τύπου n και τύπου p

Διπολική λογική - Οι διατάξεις της οικογένειας TTL Επαφή p-n Η διάχυση ηλεκτρονίων-οπών στην περιοχή της επαφής προκαλεί επανασύνδεση των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών και κατά συνέπεια δημιουργείται στην περιοχή της επαφής μια ζώνη απογύμνωσης από φορείς, η οποία ονομάζεται αλλιώς περιοχή φορτίων χώρου. Εκεί δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο και φράγμα δυναμικού, που εμποδίζει την διάχυση των φορέων. Η ορθή πόλωση έχει σαν αποτέλεσμα να υπερνικηθεί το φράγμα της περιοχής απογύμνωσης, ώστε περνά το ρεύμα διάχυσης. Η ανάστροφη πόλωση ενισχύει το φράγμα δυναμικού και αυξάνει την περιοχή απογύμνωσης, με αποτέλεσμα σχεδόν να μην διέρχεται ρεύμα. Στην ανάστροφη πόλωση υπάρχει μόνον ένα πολύ μικρό θερμικό ρεύμα, που ονομάζεται ανάστροφο ρεύμα κόρου.

Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος (Ι-V) και ψηφιακές εφαρμογές διόδου p-n Η συνάρτηση που περιγράφει το ρεύμα της διόδου γράφεται ως εξής: Ι = Ιs (eeV/kT – 1) Is είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου και V είναι η τάση πόλωσης. Στα ψηφιακά κυκλώματα η δίοδος χρησιμοποιείται για να υλοποιεί τη λογική του διακόπτη ON-OFF.

Το διπολικό τρανζίστορ Στο διπολικό τρανζίστορ οι δύο επαφές pn πρέπει να πολώνονται εξωτερικά με dc τάσεις και ρεύματα. Στην κανονική λειτουργία η επαφή BE πρέπει να είναι ορθά πολωμένη ενώ η επαφή CB πρέπει να πολώνεται ανάστροφα. Στην κανονική λειτουργία, ένα μικρό ρεύμα βάσης ελέγχει ένα μεγάλο ρεύμα συλλέκτη. Ιe= Ib + Ic Ic = βIb

To διπολικό τρανζίστορ σε λειτουργία διακόπτη Το τρανζίστορ λειτουργεί ως διακόπτης και τροφοδοτεί ή αποκόπτει μια αντίσταση φορτίου R2. Πολώνοντας ορθά τη βάση με ένα επαρκές δυναμικό, δημιουργείται ένα μεγάλο ρεύμα στο συλλέκτη. Τότε οι φορείς συσσωρεύ-ονται στο συλλέκτη και το τρανζίστορ βρίσκεται στον κόρο. Όταν η τάση στην είσοδο (στη βάση) γίνεται μηδέν, τότε το ρεύμα βάσης μηδενίζεται. Τότε μηδενίζεται και το ρεύμα του συλλέκτη, οπότε το τρανζίστορ έρχεται στην αποκοπή. ON-OFF

TRANSISTOR-TRANSISTOR LOGIC: Η ΠΥΛΗ AND Στην οικογένεια ολοκληρωμένων κυκλωμάτων TTL χρησιμοποιούνται δίοδοι και τρανζίστορ για να υλοποιηθούν λογικές λειτουργίες – δηλ. λειτουργίες της δυαδικής λογικής και της άλγεβρας των διακοπτών. Με βάση τη διοδική λογική μπορούμε να κατασκευάσουμε απλές λογικές πύλες TTL ως εξής: Πύλη AND: 1. Ε1=0, Ε2=0 Ορθή πόλωση και στις δύο διόδους (δίοδοι ΟΝ). Άρα S=0. 2. E1=1, E2=0 ή Ε1=0, Ε2=1 D1 ON, άρα S=0. 3. E1=1, E2=1. D1, D2 OFF. Άρα, S=+5V (λογικό 1).

TRANSISTOR-TRANSISTOR LOGIC: Η ΠΥΛΗ OR 1. Ε1=0, Ε2=0. Μηδενική πόλωση και στις δύο διόδους (δίοδοι ΟFF). Άρα S=0. 2. E1=1, E2=0 ή Ε1=0, Ε2=1. D1 ή D2 ON, άρα S=+5V. 3. E1=1, E2=1. D1, D2 ON, άρα S=+5V (λογικό 1).

ΛΟΓΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΜΕ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ SCHOTTKY

ΠΥΛΗ NAND ΣΕ TTL TTL: Η πιο διαδεδομένη οικογένεια ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που χρησιμοποιεί διπολική λογική είναι η οικογένεια TTL. Υπάρχουν πολλές υπο-οικογένειες TTL, με διαφορετικές προδιαγραφές ταχύτητας, κατανάλωσης ισχύος κλπ. (Παράδειγμα: LS-TTL: Low power Schottky). Η βασική πύλη της οικογένειας TTL είναι η NAND (74LS00). Αυτή έχει στην είσοδο μια πύλη AND με διόδους και ακολουθεί ένας αναστροφέας με τρανζίστορ. Η έξοδος αποτελείται από μια βαθμίδα push-pull που μπορεί να παρέχει επαρκές ρεύμα στην έξοδο. Η έξοδος μπορεί να δίνει ρεύμα (source) ή μπορεί να απάγει ρεύμα (sink).

ΜΟΡΦΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ICs της οικογένειας TTL

ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΛΟΓΙΚΑ ΕΠΙΠΕΔΑ TTL Περιθώριο θορύβου: 0.7 V High 0.3V Low VOHmin : Ελάχιστο δυναμικό εξόδου στην κατάσταση HIGH.. Τυπική τιμή: 2.7V. VIHmin: Ελάχιστο δυναμικό εισόδου, που η πύλες TTL αναγνωρίζουν ως HIGH. Τυπική τιμή 2.0 V. VILmax: Το μέγιστο δυναμικό εισόδου που αναγνωρίζεται ως LOW. Τυπική τιμή 0.8V. VOLmax :Το μέγιστο δυναμικό εξόδου, που παράγεται ως LOW. Τυπική τιμή 0.5V.

Fanout: Πόσες εισόδους μπορούμε να συνδέσουμε σε μια TTL έξοδο. Προδιαγραφές Εισόδων: Το ρεύμα που χρειάζεται μια είσοδος TTL εξαρτάται από το αν η είσοδος είναι High ή Low. Αυτό καθορίζεται από δύο προδιαγραφές: Vcc IILmax OUT IN LOW Vcc IIHmax OUT IN HIGH Driving circuit Driving circuit IILmax : Το μέγιστο ρεύμα που χρειάζεται μια είσοδος ώστε να οδηγηθεί στην κατάσταση LOW. LS-TTL: - 0.4 mA IIHmax : Το μέγιστο ρεύμα που χρειάζεται μια είσοδος ώστε να οδηγηθεί στην κατάσταση HIGH. LS-TTL: 20μΑ

Ρεύμα εκτός: ΑΡΝΗΤΙΚΟ Ρεύμα εντός: ΘΕΤΙΚΟ Προδιαγραφές εξόδων: Οι έξοδοι μπορούν να δώσουν ή να απάγουν ρεύμα. Με αναφορά τα προηγούμενα σχήματα διακρίνουμε τα εξής ρεύματα: Output current Low: IOLmax. Το μέγιστο ρεύμα που μια έξοδος μπορεί να απάγει στην κατάσταση LOW, καθώς διατηρεί το δυναμικό της κάτω από το VOLmax. Το ρεύμα είναι θετικό, με τυπική τιμή 8mA. Output current High: IOHmax: Tο μέγιστο ρεύμα που μια έξοδος μπορεί να δώσει στην κατάσταση HIGH, καθώς διατηρεί το δυναμικό εξόδου της στο VOHmin (τουλάχιστον). Το ρεύμα αυτό ρέει εκτός της εξόδου, οπότε είναι αρνητικό: -400 μΑ.

Υπολογισμός του FANOUT Λαμβάνοντας τις τυπικές τιμές των ρευμάτων που ισχύουν για την οικογένεια LS TTL (Low power Schottky TTL) υπολογίζουμε τους παρακάτω λόγους: Άρα, μια είσοδος TTL μπορεί να οδηγήσει μέχρι 20 εισόδους στην κατάσταση LOW και ομοίως μέχρι 20 εισόδους στην κατάσταση HIGH. Λέμε, λοιπόν, ότι ένα LS-TTL έχει fanout 20. Παραπάνω φορτίο έχει ζημιογόνα αποτελέσματα στη συμπεριφορά των πυλών TTL.

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΓΙΑ ΥΠΕΡΦΟΡΤΩΣΗ ΕΞΟΔΩΝ Για να βεβαιωθούμε ότι μία έξοδος δεν υπερφορτώνεται πρέπει να γίνουν οι εξής δύο υπολογισμοί: Για την κατάσταση HIGH: Προσθέτουμε όλα τα IIHmax που χρειάζονται όλες οι οδηγούμενες είσοδοι. Αυτό πρέπει να είναι μικρότερο από το ΙΟHmax της οδηγούσας εξόδου. Για την κατάσταση LOW: Προσθέτουμε όλα τα ΙILmax των οδηγούμενων εισόδων. Πρέπει το άθροισμα να είναι μικρότερο από το IOLmax της οδηγούσας εξόδου. Παράδειγμα: Σχεδιάζετε ένα σύστημα όπου μία LS-TTL έξοδος οδηγεί δέκα LS-TTL εισόδους και τρεις S-TTL εισόδους. Να εξετάσετε μήπως το σύστημα υπερφορτώνεται στην κατάσταση LOW ή στην κατάσταση HIGH.

Πίνακας ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των οικογενειών TTL

ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΦΟΡΤΙΩΝ ΑΠO TTL Μια LS-TTL έξοδος απάγει πολύ περισσότερο ρεύμα απ’ όσο μπορεί να δώσει: Απάγει 8mA σε κατάσταση LOW. Δίνει 400μΑ σε κατάσταση HIGH. Άρα είναι πιο σωστό να φέρνουμε τα φορτία σε κατάσταση ΟΝ, όταν η έξοδος είναι LOW (Βλέπε σχήμα αριστερά).

ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΕΣ TTL Τα σημερινά κυκλώματα TTL είναι κατασκευασμένα με βάση την τεχνολογία των τρανζίστορ και των διόδων Schottky. Οι ονομασίες τους φέρουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: 74S nn Schottky TTL 74LS nn Low power Schottky TTL 74AS nn Advanced Schottky TTL 74ALS nn Advance Low power Schottky TTL 74F nn Fast TTL

ΦΥΛΛΟ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ TTL