Дж.Хиллбурн, П.Джулич Микро-ЭВМ и микропроцессоры (1979), страница 5

Виполярные транзисторы бывают двух типов: р — и — р и л — р — и (соответствующие условные обозначения приведены на рис. 2.23). Как логический элемент транзистор может находиться либо в открытом (проводящем) состоянии„либо в закрытом (не- проводящем) состоянии. Транзистор р — и — р-типа закрыт, если его база (Б) имеет более положительный потенциал, чем потенциал эмиттера (Э), и открыт,.

если потенциал базы более отрицательный, чем потенциал эмиттера. На коллектор (К) подается отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру. Тогда ток (движение положительных зарядов) в данном транзисторе имеет направление от эмиттера к коллектору. Величина напряжения база —. эмиттер, необходимая для переключения транзистора из закрытого в полностью открытое состояние (состояние насыщения), колеблется в .пределах от — 0,1 до — 0,7 В. Транзистор п — р — и-типа закрыт, если его база имеет более отрицательный потенциал, чем эмиттер, и открыт, если потенциал базы более положительный, чем потенциал змиттера.

На коллектор .подается положительное напряжение относительно эмиттера, и ток в этом транзисторе прокекает от коллектора к эмиттеру. Величина напряжения база— эмиттер, необходимая для переключения транзистора из закрытого состояния в открытое, составляет О,1 — 0,7 В. Одной из возможных схем включения биполярного транзистора является схема с общим змигтером (рис. 2.24,а). Напряжение Е„меньше или болыпе нуля для р — п — р- н и — р — и-транзисторов соответственно.

При такой, схеме включения сигнал логической переменной А, подаваемый на вход, преобразуется на выходе в А, и таким образом схема реализует операцию инвертирования. Отрицательное напряжение, подаваемое на вход данной схемы, открывает р — л — р-транзистор, положительное напряжение п — р — птраизистор. 3 — Тш 34 Глава 2 Рис. 2.23. Условные обозначения биполярных транзисторов р — и — р-типа (а) и и — р — л-типа (6). сл Е, а Х Рис. 2.24. Включение биполярного транзистора по схеме с общим змиттером (а) н общим коллектором (6). Следовательно, схеме положительной логики на п — р — п-транзисторе соответствует схема отрицательной логики на р — и — ртранзисторе.

На рис. 2.24, б показана схема эмиттернозо повторителя (с общим коллектором) для р — п — р- или и — р — и-транзистора. Сигнал логической переменной А, поданный на вход этой, схемы, не изменяет на выходе своего значения, следовательно, данная схема работает как буферный усилитель. Отметим еще раз, что схемы, собранные на и — р — и- и р — и — р-транзисторах, обладают свойством двойственности. Полевые МОП-транзисторы, относящиеся ко второй важной группе транзисторов, также бывают двух типов: р- и и-канальные (условные обозначения МОП-транзисторов приведены на рис. 2.25).

Электронный ключ, собранный на р-канальном МОП- транзисторе, закрыт, если потенциал затвора (3) более положительный, чем потенциал истока (И), и открыт, если потенциал Цифровая логика 35 с ) е — Поблажка 3 ) — в- /7м)лавгла ~ и И и а Ю Ю Рис. 2.25.Условные обозначении л-канальных (а) и р-канальных (б) полевых МОП-транзисторов; в — их общий символ. затвора более отрицательный. На сток (С) по отношению к истоку подается отрицательное напряжение, ток в транзисторе течет от истока к стоку. В и-канальном МОП-транзисторе потенциал затвора, более отрицательный по сравнению с потенциалом истока, закрывает транзистор, а более положительный — открывает.

На сток относительно истока подается, положительное напряжение, ток в транзисторе на~правлен от стока к истоку. Подложка транзистора обычно электрически соединяется с истоком. На рис. 2.2б показано включение р- или л-канального МОП- транзистора по схеме с общим истоком. Данная схема аналогична схеме включения с общим эмиттером для биполярного транзистора (рис. 2.24, а) и также реализует операцию инверсии логической переменной А. Как и в случае биполярного транзистора, р- и л-канальные полевые транзисторы обладают свойством двойственно. сти. Ес Рис. 2.26. Инвертор на МОП-транзисто- ре (включение с общим истоком).

36 Глава 2 ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНАЯ ЛОГИКА Схемы диодно-транзисторной логики (Т7ТЕ) являются наиболее известным классом логических схем. Эти схемы, как следует из названия, состоят из диодов и биполярных транзисторов. Базовым элементом диодно-транзисторной логики является схема И-НЕ (рис. 2.27). Принцип работы такой схемы заключается в следуюкцем. Если входы А и В находятся в состоянии 1, то ток, протекающий от Еа через В1 и Вя, открывает транзистор Т,. Ток, проходящий через В1 и Ть открывает Тм и таким образом на выходе схемы устанавливается низкий потенциал, Если А, или В, или оба входа находятся в состоянии О, то ток протекает через Вя на «землю» и Т1 закрыт. Следовательно, Та также закрыт и на выходе устанавливается высокий потенциал. Описанная схема выполняет операцию И-НЕ для положительной логики.

Схема, нагруженная на вход А или В и переключающая этот вход в состояние О, должна «отбирать» ток, протекающий через В,. Поэтому этот тип логических схем называется схемой с отбором тона. Максимально возможное количество входов схемы называется коэффициентом объединения по входу. Аналогичным образом коэффициент разветвления'по выходу — это максимально возможное количество входов схем того же типа, которое может переключать выход данной схемы. Обычно коэффициент объединения по входу р~ я р Ряс. 2.27. Стандартная схема РТГ., выполняющая операцию И-НЕ.

Цифровил логика 37 у ВТ/=схем 10, а коэффициент разветвления по выходу равен 8. Номинальное напряжение питания Е„=5 В, потребляемая мощность 1О мВт/элемент, задержка переключения 30 нс/элемент. На входе схемы напряжения )тгь и )тгн (рнс. 2.22) есть соответственно 1,2 и 2,0 В. На выходе схемы )гоь и )гон имеют значения 0,45 и 2,8.В. При рассмотрении любого типа логических схем необходимо учитывать защищенность схемы от воздействия помех. Защищенность схемы связана с двумя ~важными факторами — помехоустойчивостью и уровнем наводимой помехи. Помехоустойчивость схемы определяется величиной сигнала помехи, который, накладываясь на входной логический сигнал, вызывает ошибочное переключение схемы. Относительно второго фактора известно, что помехи наводятся в основном через шины питания при переключении логиче' ских схем. ВТ/=схемы обладают хорошей помехоустойчивостью и средним по величине уровнем наводимых помех.

Схемы ВТЕ выпускают в виде МИС, выполняющих небольшое количество логических операций. Для современных разработок обычно используются другие -типы логических схем, описанные ниже. ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНАЯ ЛОГИКА Широко распространенный класс логических схем — схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТ/., или Т'Ц. На входе таких схем находятся многоэмиттер~ные транзисторы. На рис. 2.28 показана ТТ1:схема, реализующая операцию И-НЕ для положительной логики.

Схема работает следующим образом. Если входы А и В находятся в состоянии 1, то ток, протекающий от Е„ через Вь поступает на базу Т, через переход база — коллектор транзистора Ть смещенный в прямом направлении. Этот ток открывает транзистор Т„который переключает ток, протекающий через /1,, от базы транзистора Т, к базе транзистора Т,. Транзистор Тг запирается, а тра~нзистор Тг входит в режим насыщения; при этом на выходе схемы устанавливается низкий потенциал (состояние 0).

Далее, если А или В, или оба этих входа находятся в состоянии О, то ток через Р~ уходит («отбирается») на землю через переход Т1. Следовательно, Тг закрыт, Т, открыт, Т«закрыт и на выходе уста. навливается высокий потенциал (состояние 1). Эти логические схемы, так же как и схемы ОТЕ, являются схемами с отбором тока. Стандартные ТТЕ-схемьс, например серии 54/74, обычно имеют коэффициент разветвления по выходу, равный 1О, и коэффициент объединения по входу (8. Номинальные значения других параметров следующие: напряжение источника питания Е„=5 В, потребляемая мощность 12 мВт/элемент, задержка 10 нс/элемент. На- 38 Глава 2 дыхвд Рнс.

2.28. Стандартная схема ТТЕ, выполняющая операцню И-НЕ. пряжения на входе схемы Угь и Угн соответственно равны 0,8 и 2,0 В, а напряжения на выходе Уох и Уон — 0,4 и 2,4 В. Устройство, переключающее схему ТТЕ, должно — «отбирать» 1,6 мА в состоянии 0 и 40 мкА ~в состоянии 1. Этим определяется погрузочная способность элемента ТТ1.. Другой важный параметр, связанный с помехоустойчивостью,— запас помехоустойчивости по постоянному напряжению [15). Запас помехоустойчивости — есть разность между выходным и входным напряжениями для худшего случая.

Когда выход элемента связали со входом другой такой же схемы, существует запас по напряжению Унх=Утх — Уоы удерживающий управляемую схему в нулевом состоянии. Унь называется запасом помехоустойчивости в нулевом состоянии. (Ясно, что для схемы, удерживаемой в нулевом состоянии, необходим сигнал помехи, по крайней мере равный Унх на входе, чтобы ошибочно изменить ее состояние.) Аналогично запас устойчивости для единичного состояния схемы определяется как Унн= Уон — Утн. Для стандартной ТТЕ-схемы типичные значения Унх и Унн составляют 0,4 В. Помехоустойчивость этого типа схем считается очень хорошей, а величина наводимой помехи в выше средней. При помощи ТТЕ схем, выполненных на основе технологии МИС, можно реализовать большое количество различных операций. Наряду со стандартными ТТТ:схемами имеются специальные схемы, которые включают маломощные ТТЕ-схемы, быстродействующие ТТЕ-схемы, схемы с диодами Шоттки, маломощные ТТ1: Т1ифеовал логика 39 схемы с диодами Шоттяи.

Маломощные ТТЬ-схемы характеризуются потребляемой мощностью 1 мВт/элемент и задержкой 33 нс/элемент. Быстродействующие ТТТ имеют задержку 6 нс и,потребляемую мощность 22 мВт/элемент. ТТь-схемы с диодами Шоттки и маломощные ТТЕ-схемы с диодами Шоттки имеют задержку соответственно 3 и 10 нс/элемент, а потребляемые мощности 22 и 2 мВт/элемент. Другие характеристики схем указанных типов подобны характеристика|м стандартных ТТЕ-схем.

Класс схем ТТТ совместим с классом схем 0ТЕ 18]. ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ С ЗМИТТЕРИЫМИ СВЯЗЯМИ В стандартных ТТЕ-схемах переход из одного состояния в другое требует переключения выходного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, в состояние насыщения или выхода его из этого состояния. Когда транзистор переключается в состояние насыщения, базовая область насыщается неосновными носителями. Чтобы выключить транзистор, требуется время на удаление неосновных носителей, что ограничивает быстродействие схемы. Логические схемы, работающие' в активной зоне между областями насыщения и отсечки, называются схемами с эмитгерными связями или ЕС(=схемами.