通道晶體管邏輯其它形式

在早期探索提高 TTL邏輯電路"與非"門開關(guān)速度的過程中，只是采取兩方面的措施:①降低電路中的阻值，因?yàn)榻档妥柚悼稍黾域?qū)動(dòng)電流?？s小電路所占的芯片面積，寄生電容也因之減小;②輸出級(jí)上推拉管和二極管改為射極跟隨器連接法,使TTL"與非"門邏輯電路開關(guān)速度成倍提高。但是在進(jìn)一步探索提高電路速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)晶體管多余載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)是一個(gè)重要障礙。這些多余載流子的產(chǎn)生，是由于過驅(qū)動(dòng)電流導(dǎo)致晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，多余的載流子又來不及復(fù)合消失，勢(shì)必存儲(chǔ)在晶體管區(qū)內(nèi)。為了進(jìn)一步提高開關(guān)速度，只有設(shè)法使晶體管處于臨界飽和狀態(tài)，避免對(duì)晶體管過驅(qū)動(dòng)才有可能消除和避免多余載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)。因此，60年代末至70年代初期,開始在TTL集成電路中采用肖特基勢(shì)壘二極管，將其并接在電路晶體管的基極和集電極上，終于把電路存儲(chǔ)時(shí)間大大縮短。TTL電路"與非"門開關(guān)速度進(jìn)入超高速范圍，使帶有肖特基勢(shì)壘二極管的晶體管的開關(guān)時(shí)間可縮短到1納秒左右。

TTL電路按用途區(qū)分,還包括一些特殊用途的電路，如普通常用的基本門、功率門或驅(qū)動(dòng)器、集電極開路門、抗輻照基本門和三態(tài)輸出基本門。

第一代TTL邏輯電路"與非"門 它的線路結(jié)構(gòu)(圖2)有輸入級(jí)、分相級(jí)和輸出級(jí)。輸入級(jí)采用多發(fā)射極晶體管，輸出級(jí)采用簡(jiǎn)單的推拉輸出(包括上推拉管T4、下推拉管T5和一個(gè)二極管)。雙極型集成電路從 DTL電路演變到 TTL電路的第一代"與非"門，僅改進(jìn)了上述兩點(diǎn)就使開關(guān)速度比DTL邏輯電路高5~10倍,同時(shí)也減小了電路功耗。這些改進(jìn)大大促進(jìn)了雙極型集成電路的發(fā)展。對(duì)于第一代"與非"門，只要改變?cè)?shù)就能保持線路結(jié)構(gòu)不變而得到不同等級(jí)的速度功耗乘積的門電路系列產(chǎn)品。

TTL電路輸入端采用多發(fā)射極晶體管，不再象DTL電路輸入端二極管組與電平位移二極管那樣彼此孤立。多發(fā)射極晶體管具有較大的正向電流放大系數(shù)和較小的反向電流放大系數(shù)。電路處于轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)輸入端為低電平時(shí),較大的正向電流放大系數(shù)能抽出較大的電流,使原來存儲(chǔ)的多余載流子很快消失;當(dāng)輸入端是高電平時(shí)，較小的反向電流放大系數(shù)，使多發(fā)射極晶體管的反向漏電流最小，不致影響前一級(jí)高電平輸出。采用多發(fā)射極晶體管時(shí)，在多發(fā)射極之間須避免出現(xiàn)交叉漏電流。

電路輸出級(jí)采用推拉輸出，有助于減小電路功耗和提高開關(guān)速度。輸出上推拉管 T4和二極管D代替原輸出管T5負(fù)載電阻，構(gòu)成一個(gè)能自動(dòng)調(diào)節(jié)阻值的負(fù)載，使電路只在轉(zhuǎn)換過程的瞬間輸出級(jí)才有功耗。

第二代 TTL電路"與非"門 輸出級(jí)上推拉管改用射極跟隨器形式(圖3)。如果射極跟隨器的T3管集電極并接T4管集電極，可改變?yōu)榈诙倪M(jìn)型形式，即輸出級(jí)上推拉管采用達(dá)林頓對(duì)管(T3、T4)連接。達(dá)林頓對(duì)管連接減小了連線距離。對(duì)管可看成為一個(gè)晶體管，其電流放大系數(shù)是兩個(gè)晶體管放大系數(shù)的乘積。對(duì)管的輸入阻抗是對(duì)管中前一晶體管的電流放大系數(shù)β1與后一晶體管的輸入阻抗的乘積。

第三代 TTL電路"與非"門 采用肖特基勢(shì)壘二極管使線路抗飽和,電路開關(guān)速度提高到超高速范圍,每級(jí)門的信號(hào)傳遞延遲時(shí)間約在3~5納秒。改進(jìn)之二是在輸出管T5的基極回路增加了晶體管分流器 (圖4),分流器是把線路上原來的無源元件電阻,改為有源元件晶體管T6和電阻R3、R6。這種結(jié)構(gòu)有時(shí)也稱為有源拉開網(wǎng)絡(luò)。晶體管分流器參數(shù)的選擇依電阻R3、R6的不同比值而定，分為飽和型、非飽和型和淺飽和型三種型式。

飽和型晶體管分流器要求R3<R6(如R3=0.5R6),T6管即能進(jìn)入飽和區(qū)。因?yàn)楫?dāng)"與非"門T5管截止時(shí)，晶體管分流器可為T5管提供一個(gè)低阻的抽出電流的分流回路，有利于T5管截止，提高開關(guān)速度。

非飽和型晶體管分流器是指R6=0。這時(shí)，T6管工作在線性區(qū)域，不論T5管在通導(dǎo)過程中還是轉(zhuǎn)向截止，這種分流器對(duì)提高電路開關(guān)速度的能力都是有限的。

淺飽和型晶體管分流器要求R3>R6(在一般情況下，取R6=0.5R3)，使電路處于飽和邊緣，從而獲得高速開關(guān)能力。因此，在高速開關(guān)電路中，一般采用淺飽和型晶體管分流器。