Импульсные устройства на микросхемах, страница 6

2.5. Цифровые микросхемы ТТЛ Из семейства ТТЛ наибольшее распространение имеют микросхемы серии К!55, а также маломощной серии К555, выполняемой на транзисторах Шотки. На рис. 2.18 показана (без второстепенных деталей) схема базового логического элемента серии К155. Набор таких элементов может представлять самостоятельную микросхему.

Элементы также могут входить составными частями в микросхемы более сложной структуры. Входной транзистор — многоэмиттерный. От обычных биполярных транзисторов он отличается наличием нескольких (двух, трех, четырех, восьми) эмиттерных переходов, объединенных общей базой. Взаимодействие между эмиттерными цепями через базу отсутствует, поэтому многоэмиттерный транзистор можно считать совокупностью нескольких независимых транзисторов с объединенными коллекторами и базами. Эмиттеры транзистора определяют число входов элемента, связанных операцией И.

Диоды Ч01, ЧО2 предназначены для предохранения эмиттерных переходов транзистора ЧТ! от возможных выбросов напряжения отрицательной Рис. 2.17. Триггер Шмитта; а — условное графическое обозначение; б — передаточная характеристика; в — передаточная характеристика с инверсией выходного сигнала, г — временийе диаграммы Рис. 2.18. Схема базового логического элемента серии К!55 Рис. 2.19 Схема логического элемен- та 2И-НЕ серии К555 25 полярности. В нормальных условиях диоды закрыты и не влияют на работу элемента. Когда один нли несколько входов многоэмиттерного транзистора соединены с общим проводом — непосредственно или через открытый выходной транзистор предыдущего элемента (т.

е, на входе действует напряжение низкого уровня), транзистор тТ! открыт и насыщен. Транзисторы тТ2 и Ъ'ТЗ закрыты, а ЧТ4 открыт, и на внешней нагрузке, подключенной к выходу миросхемы, присутствует напряжение высокого уровня. Если на всех входах действует напряжение высокого уровня, то транзистор НТ1 работает в инверсно.активной области, транзисторы ЧТ2 и тГТЗ вЂ” открываются, закрывая ЧТ4. На выходе будет напряжение низкого уровня. Таким образом, базовый элемент ТТЛ по входам выполняет логическую операцию И с инверсией сигнала на выходе (операция И вЂ” НЕ).

Микросхемы серии К555 разработаны позже К155 и имеют лучшие эксплуатационные параметры. Применение диодов и транзисторов Шатки в сочетании с резисторами ббльшего сопротивления в базовых и коллекторных цепях позволило уменьшить сравнительно с серией К155 потребляемую мощность в 5...5 раз при том же быстродействии.

Дополнительное достоинство микросхем серии К555 при их использовании в импульсных устройствах — ббльшее входное сопротивление. В микросхемах серии К555 вместо многозмиттерного транзистора входную операцию И выполняет днодно-резисторная цепь К1, Ч(!3, !г04 (рис. 2.19). Последующие узлы действуют подобно аналогичным узлам элемента серии К155, хотя немного и отличаются по схеме. Напряжение питания микросхем ТТЛ и ТТЛШ общего назначения (!к=5 В~ба)э. Выходное напряжение высокого уровня а зависимости от нагрузки равно (3' их=2,4...4 В, а низкого ()з„„=б,!...0,4 В.

В зависимости от технологии и экземпляра микросхемы пороговое напряжение на входе элемента ТТЛ, при котором происходит смена выходных состояний, находится в границах !...1,5 В для микросхем универсальных серий обычно принимают !1„р — — 1,3 В, для маломощных ТТЛШ ()зср=! В. П„ иэ»„,В „р (Узи»,5 уу д а з г»» р у г гаям,р б г Э ббры,дл Рис. 2.20.

Резистор на входе инвертора ТТЛ (а) и ТТЛШ (б) и соответствующие передаточные характеристики Микросхемы ТТЛ и ТТЛШ с точки зрения их применимости в импульсной технике уступают микросхемам КМОП. К недостаткам импульсных устройств на микросхемах ТТЛ относятся нестабильность длительности выходных импульсов при колебаниях напряжения питания и температуры среды, а также ограниченные пределы допустимых сопротивлений резисторов во входных цепях микросхем. Последняя особенность объясняется сравнительно небольшим входным сопротивлением микросхем ТТЛ и появлением тока при подключении ко входу внешнего резистора й„. Ток, протекающий по цепи от плюсового провода питания через резистор й1, эмиттерный переход транзистора тУТ1 (на рис.

2.20,а) либо диод ТУ))2 (на рис. 2.20,б) и резистор йвю создает на резисторе й„падение напряжения, ноторое воздействует на вход подобно входному напряжению от внешнего источника. Падение напряжения на внешнем резисторе Он — Ы)ав () в н = 1 и й в н = й в н й1+ й», 12.1) где б()нв — падение напряжения на участке база — змиттер входного транзистора либо на входном диоде Шотки. В первом случае б()н»=0,7 В, во втором 0,3 В.

Сопротивление внешнего резистора, при котором обеспечивается желаемое входное напряжение, можно найти из предыдущего урав- нения йвн=()внй(»У(()н — б()нв — ()вн). (2.2) Поскольку переходная характеристика состоит из трех участков, каждый из которых характеризует определенное состояние микросхемы, здесь возможны три режима работы.

При малых значениях й,н напряжение на резисторе эквивалентно сигналу низкого уровня. Сопротивление й,н при этом не должно ирены. шать йввв(05 кОм длЯ элементов сеРии К!55 и йввн<25 кОм длЯ серии К555. Высоний входной уровень обеспечивается, когда это сопротивление превышает й'„)5 кОм для микросхем серии К155, а для серии К555 й'вн)25 кОм.

Когда сопротивление й,» имеет промежуточное значение, рабочая точка приходится на наклонный (активный) участок характеристичп Этому случаю соответствует нетиповой для цифровых микросхем линей° ый (усилительный) режим работы. Из конкретных микросхем ТТЛ в импульсных устройствах наиболее употребительны К!55ЛН! и К555ЛН! — шесть независимых инверторов, связанных только общим питанием; К155ЛАЗ и К555ЛАЗ вЂ” четыре двувходовых логических элемента И-НЕ; К155ЛП5 и К555ЛП5 — четыре логических элемента Исключающее ИЛИ.

Иа 0-триггеров со статическим управлением следует отметить микросхемы К155ТМ7 и К555ТМ7 — четыре триггера, включенныв двумя парами, на каждую пару — один общий тактовый вход. Микросхемы К155ТМ2 и К555ТМ2 содержат в корпусе два Еьтриггера с запуском по фронту тактирующего импульса. Их используют как по прямому назначению, так и в роли Т-триггера, в которые обращают по описанной ранее методике. В рассматриваемых сериях есть несколько зК-триггеров.

Типичный представитель — микросхема К555ТВ9 — два триггера, управляемых по срезу тактового импульса. Микросхема К!55ТВ! содержит один триггер, но имеющий по три входа 1 и К. Одноименные входы связаны между собой операцией И. Если необходимо использовать только один вход из трех, на остальные подают напряжения высокого уровня. Этот триггер также управляется по срезу тактового импульса. Из триггеров Шмитта отметим микросхемы К155ТЛ2 и К555ТЛ2 — по шесть одновходовых триггеров с инверсией выходного сигнала К155ТЛЗ— с логическим элементом 2И на входе и инверсией сигнала на выходе.

Передаточные характеристики триггеров обеих микросхем одинаковы. Поро. говые напряжения имеют следующие значения~ Упю. =0,8 В; О явь=1,6 В. 2.6. Цифровые микросхемы структуры К)тхОП Большое распространение, в том числе и в импульсной технике, получили в последнее время микросхемы на основе полевых транзисторов структуры металл-окисел-полупроводиик (МОП). Принципиальные особенности этих транзисторов позволяют создавать элементы и целые узлы цифровых устройств с малым потреблением мощности при высокой помехоустойчивости и удовлетворительной нагрузочной способности.

Действие этих транзисторов основано на управлении рабочим током с помощью электрического поля, создаваемого входным напряжением, поэтому для них характерно очень большое входное сопротивление (6). Рабочий ток в полевых транзисторах создают носители электрического заряда одного знака (электроны или дырки). В зависимости от того, какие носители заряда используются, различают полевые транзисторы с р-каналом или п-каналом. В цифровых микросхемах применяют полевые транзисторы с так называемым индуцированиым (наведенным) каналом.

У та. ких транзисторов электропроводный канал как элемент конструкции отсутствует. Он возникает при подаче внешнего напряжения на затвор. При нулевом напряжении на затворе ток в цепи сток — исток отсутствует, так как обе этн области структуры электрически изолированы друг от друга. Когда к затвору приложено необходимое напряжение (в транзисторе с и-каналом — положительное относительно истока, а с р-каналом — наоборот), в материале подложки образуется тонкий токопроводящий канал между областями истока и стока. Напряжение между затвором и истоком, при котором возникает канал и в цепи сток — исток появляется ток, называется пороговым 1),р.

Значение этого напряжения составляет 1,5...3 В. Некоторые серии микросхем выполнены на транзисторах МОП с каналом одного вида (изделия р- или п-логики). Однако в полной мере их достоинства раскрываются при совместном включении транзисторов с разными каналами. Подобные структуры называют комплементарными (взаимодополняющими) и сокращенно обозначают КМОП. Микросхемы структур~ КМОП обладают хорошими зксплуатационными параметрами.

В первую очередь отметим достоинства, особенно ценные для импульсных устройств,— исключительно большое входное сопротивление, широкие пределы напряжения питания от 3 до 15 В, высокий порог переключения, изменяющийся пропорционально напряжению питания. Большое входное сопротивление микросхем КМОП позволяет, с одной стороны, использовать для создания нужных временнйх выдержек РС-цепи с резисторами большого сопротивления (до 1О МОм) и конденсаторами малой емкости, что дает выигрыш в габаритных размерах и массе, и с другой генерировать импульсы большой длительности (до десятков минут).