Микроэлектроника и цифровая схемотехника

Базовые логические элементы

 

Для современной схемотехники характерно широкое использование базисов И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Для их реализации логические элементы строят, как правило, из двух частей: части схемы, выполняющей операции И или ИЛИ (так называемой входной логики), и инвертора, выполняющего операцию НЕ. Входная логика может быть выполнена на различных полупроводниковых элементах: диодах, биполярных и полевых транзисторах. В зависимости от вида полупроводниковых элементов, применяемых для изготовления входной логики и инверторов, различают: диодно-транзисторную логику (ДТЛ), транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ), ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ), эмиттерно-связанную логику (ЭСЛ), интегральную инжекционную логику (И²Л), логику на комплементарных парах полевых транзисторов (КМОП). В этом параграфе будет рассмотрено устройство и работа базовых элементов ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и КМОП, имеющих в настоящее время наиболее широкое применение.

Транзисторно-транзисторная логика. Простейший логический элемент ТТЛ строится на базе многоэмиттерного транзистора VT_m, выполняющего функцию И для сигналов, подаваемых на его эмиттеры, и транзисторного ключа VT1, выполняющего функцию НЕ (рис. 4.1, а). Если на всех входах высокие уровни напряжения (А=1 и В=1), то закрыты эмиттерные переходы VT_m, открывается переход база-коллектор этого транзистора и ток I открывает и насыщает ключевой транзистор VT1, формируя на выходе низкий уровень напряжения (F=0). При низком уровне сигнала на любом из входов ток I переключается в выходную цепь источника сигнала, закрывая VT1. При этом F=1. Таким образом, схема реализует таблицу истинности элемента 2И-НЕ.

Рис. 4.1 - Базовая схема элемента ТТЛ

 

Для повышения экономичности и быстродействия выходной ключ выполняют по схеме сложного инвертора (рис. 4.1, б).  При А=В=1 открыты транзисторы VT2, VT1 (транзистор VT3 закрыт) и емкость нагрузки С_н быстро разряжается через сопротивление открытого ключа VT1. Для любой другой комбинации входных сигналов емкость нагрузки имеет возможность быстро зарядиться до высокого уровня напряжения через низкое выходное сопротивление эмиттерного повторителя VT3 (VT2 и VT1 закрыты).

Собственное потребление тока в выходной цепи отсутствует как при логическом нуле на выходе (закрыт VT3), так и при логической 1 на выходе (закрыт VT1). В этом отношении сложный инвертор на биполярных транзисторах подобен инвертору на КМОП-транзисторах.

Для повышения помехоустойчивости эмиттеры VT_m часто соединяют с корпусом через диоды, запертые для входных сигналов положительной полярности. Они открываются только при отрицательной полярности импульсов, которые могут возникать при переходных процессах в схеме.

Описанный элемент имеет так называемый стандартный выход с нагрузочной способностью . Функциональные возможности элемента могут быть расширены за счет подключения логического расширителя, а также за счет придания выходу таких особенностей, как выход с открытым коллектором, выход с открытым эмиттером, выход с Z-состоянием.

В схеме логического расширителя (рис. 4.2, а) задействованы лишь элементы R_Б, VT_m и VT2 базовой схемы. Логические расширители (например, К155ЛД1) используются совместно с другими логическими элементами (например, К155ЛР3 или К155ЛР1), имеющими соответствующие входы К и Э (см. точки К и Э базовой схемы ТТЛ). При подключении логического расширителя к базовой схеме логического элемента И-НЕ (рис. 4.2, б) формируется элемент двухступенчатой логики И-ИЛИ-НЕ.

 

 

 

 

В элементе с открытым коллекторным выходом (рис. 4.3, а) VT3 и VD1 отсутствуют. Вместо них подключают элементы автоматики (обмотки реле) или индикации (например, светодиод). Такие элементы допускают гальваническое объединение выходов. Пример применения логического элемента с открытым коллекторным выходом (микросхема К155ЛА8) показан на рис. 4.3, б. Логические элементы с открытым коллектором позволяют осуществлять непосредственное соединение (пайку) между собой выводов нескольких микросхем. При этом обеспечивается реализация дополнительной логической функции. На выходе F реализуется логическая функция  – монтажное И, т.е. логическая единица на выходе F появится только тогда, когда заперты все выходные транзисторы элементов, коллекторы которых

подключены к резистору R.

 

 

 

          Однако такая схема имеет существенный недостаток – переход в высокоомное (единичное) состояние происходит из-за влияния паразитных емкостей всегда медленнее, чем переход в низкоомное (нулевое). Вместо элементов с открытым коллектором лучше использовать элементы с тремя состояниями на выходе (рис. 4.4). При высоком уровне на входе EZ выход переходит в третье (высокоимпедансное) состояние. При EZ=0 схема работает как обычный элемент И-НЕ. В Z-состоянии закрыты все три транзистора базовой схемы.

 

          Логика ТТЛШ. Базовый элемент ТТЛШ выполняется подобно элементу ТТЛ, но коллекторные переходы транзисторов зашунтированы диодами Шоттки. Диоды Шоттки исключают насыщение транзисторов, поэтому схемы ТТЛШ свободны от недостатков, связанных с рассасыванием избыточных зарядов и позволяют существенно повысить быстродействие по сравнению с ТТЛ-логикой.

          В маломощных микросхемах ТТЛШ высокое быстродействие сочетается с умеренным потреблением мощности. Вместо многоэмиттерного транзистора в таких ИМС, как в ДТЛ, используются диоды Шоттки (рис. 4.5).

 

          Эмиттерно-связанная логика. Элементы ЭСЛ являются основной базой для микросхем сверхвысокого быстродействия. Для уменьшения задержек переключения транзисторы в элементах ЭСЛ не насыщаются. Уменьшению задержек способствует также уменьшение логического перепада и использование эмиттерных повторителей для ввода и вывода сигналов (рис.4.6).

 

 

 

Элемент ЭСЛ реализует переключение тока I₀. При закрытых VT1 и VT2 (A=B=0) ток I₀ течет через транзистор VT3. Для этого на базу VT3 подается постоянное опорное напряжение U_оп. На коллекторе транзистора VT3 за счет падения напряжения на резисторе Rк формируется низкий потенциал, который повторяется на выходе (уровень логического нуля).

          При подаче высокого уровня (логической 1) на базу хотя бы одного из транзисторов VT1 или VT2 ток I₀ течет через них, а транзистор VT3 закрыт и его высокий потенциал формирует на выходе логическую 1. Следовательно, элемент ЭСЛ на выходе реализует функцию ИЛИ. На выходе эмиттерного повторителя, подключенного к коллектору транзисторов VT1, VT2 можно реализовать логическую функцию ИЛИ-НЕ.

Напряжение питания ЭСЛ обычно выбирается равным –5,2 В, уровню логической  1 соответствует  напряжение  -0,8 В,  а  уровню  логического  нуля  -1,7 В.

Несмотря на малые значения времени переключения импульсные помехи в цепях питания незначительны, так как потребление тока в этой схеме не изменяется при ее переключении.

 

Логика КМОП. Логические элементы КМОП (например, серии КР1564) строятся на комплементарных парах полевых транзисторов с изолированным затвором с индуцированными n- и p-каналами (рис. 4.7). Общая закономерность построения таких структур состоит в том, что параллельное соединение одного типа транзисторов сопровождается последовательным соединением  транзисторов противоположного типа. Транзисторы с проводимостью n-типа открываются при единичном сигнале на затворе, с проводимостью р-типа –при логическом нуле на затворе. Так как любой из входных сигналов (А или В) подается на пару транзисторов  разного типа, ток в цепи источника питания Е отсутствует. Элемент КМОП характеризуется очень низкой статической мощностью потребления.

 

          На комплементарной паре транзисторов строятся также двунаправленные ключи (рис. 4.8). При W=1 ключ замкнут (между точками X и Y сопротивление примерно 100 Ом), при W=0 – разомкнут. Такие ключи используются для коммутации не только цифровых, но и аналоговых сигналов. Их добавление к выходам обычного логического элемента обеспечивает ему третье состояние (состояние разомкнутого выхода), в которое он переходит при W=0.

          Интегральные микросхемы малой и средней степени интеграции изготавливают на основе всех рассмотренных технологий. Основными техническими параметрами логических элементов являются быстродействие, потребляемая мощность, помехоустойчивость, нагрузочная способность, уровни напряжения, соответствующие логическому 0 или 1.

 

Познакомимся с ними, анализируя характеристики инвертора (элемента НЕ, рис. 4.9, а).

 

В  справочниках приводится  диапазон  напряжений,  соответ-ствующих уровню логического нуля (Uвх⁰, Uвых⁰) и единицы (Uвх¹, Uвых¹). На рис. 4.8, б показана передаточная характеристика инвертора. При определенном входном напряжении происходит переключение ЛЭ. Обозначены отрезки, характеризующие допустимую величину помехи на входе при низком (Uпом⁰ ) и высоком (Uпом¹ ) уровне Uвх. Наименьшая из них приводится в справочниках, характеризуя статическую помехоустойчивость ЛЭ.

При подаче на вход инвертора импульса Uвх выходной сигнал оказывается задержанным на время задержки      (рис. 4.9, в). Задержка обусловлена инерционными свойствами транзисторов и перезарядом паразитных емкостей (в основном емкостью нагрузки С_н).

Потребляемая мощность Рср определяется как среднее арифметическое значение мощностей, потребляемых ЛЭ в состояниях логического 0 и 1 на выходе. Она существенно зависит от частоты входного сигнала. Зависимость Рср=F(f) можно снять, подавая на вход инвертора с генератора прямоугольные импульсы со скважностью, равной двум (рис. 4.9, г). Рср определяется как сумма статической (Рст) и динамической (Рдин) составляющих. Рдин=СU²f возрастает пропорционально частоте, где U – величина логического перепада (U=Uвых¹–Uвых⁰).

Нагрузочная способность n характеризует число входов аналогичных ЛЭ, которое можно подключить к выходу данного без нарушения его нормального функционирования.

Графические обозначения некоторых ЛЭ приведены на рис. 4.10.

Проводя сравнительный анализ различных типов ИМС, можно отметить, что элементы ТТЛ характеризуются средним быстродействием. Им на смену пришли элементы ТТЛШ повышенного быстродействия и более экономичные. Самыми экономичными являются элементы КМОП. Самыми быстродействующими являются элементы ЭСЛ, но они потребляют большую мощность от источника питания и работают от источника с отрицательной полярностью напряжения питания, хотя и в формате положительной логики.

Основные параметры микросхем серий К155 (ТТЛ), К555 (маломощная ТТЛШ), КР1533 (усовершенствованная маломощная ТТЛШ), КР531 (быстродействующая ТТЛШ) приведены в таблице 4.1.

Корпус микросхем логических элементов имеет, как правило, 14 выводов. Два вывода служат для подключения к источнику питания, а 12 – являются входами и выходами ЛЭ. Нумерация выводов – против часовой стрелки, начиная с метки (ключа) в виде углубления на корпусе.

Таблица 4.1 – Основные параметры серий ТТЛ и ТТЛШ

 

Параметр	К155	К555	КР1533	КР531
Рср, мВт tз, нс n	10 20 10	2 18 20	1,2 14 40	19 5 10

 

Многие серии цифровых интегральных микросхем включают шинные формирователи. Так иначе называют буферные элементы с тремя состояниями на выходе (рис. 4.11). Основное назначение таких микросхем – поочередная подача на одну магистраль сигналов от различных источников. Причем благодаря большой нагрузочной способности микросхем магистраль может иметь большую емкость и большое число подключенных к ней нагрузок и источников сигналов.

 

На рис. 4.11, а показано УГО ИМС восьмиразрядного двунаправленного приемопередатчика К555АП6. Вход управления BS (Bus State – состояние шины) служит для изменения направления передачи данных, вход управления ОЕ служит для перевода шин А_N и В_N в третье состояние. При BS==0 передача данных идет справа налево, т.е. В_N являются входами, А_N – выходами. При BS = 1,  = 0 данные А_N  являются входными, В_N – выходными. При =1, независимо от состояния входа управления BS, обе шины находятся в состоянии Z.

 

 

Рисунок 4.11, б показывает УГО ИМС четырехразрядного приемопередатчика с двумя однонаправленными (DI – DB, DB – DO) и одной двунаправленной (DB) шинами. Вход управления BS определяет направление обмена данными, вход управления ОЕ служит для перевода шин DO (Data Output – выходные данные) и DB (Data Bus Bidirectional – двунаправленная шина) в третье состояние. При  BS=0 выход буфера DD2 разомкнут и передача данных происходит от А к В через буфер DD1. При BS=1 данные передаются от В к А через буфер DD2. В микросхеме К589АП26 передача сигнала в обоих направлениях сопровождается его инвертированием.