Популярные цифровые микросхемы, страница 2

Устройство элемента резисторно-транзисторной логики, сокращенно РТЛ (рпс. !.1, а), отображает наличие в схеме компонентов: резисторов и переключательного транзистора. В 60-х годах микросхемы РТЛ довольно широко выпускалась в гибридном толстопленочном исполнении. Присоединим па вход А логического элемента О01 (рис.

1,1) пе. реключатель 61, движок которого может занимать два положения В и Н. В положении В на вход А подается напряжение высокого уровня 1!'„=-11е, а в положении Н вЂ” низкого !3 х =О. На рис. 1.1, а на вход А подан сигнал высокого уровня. Тогда от положительного полюса источника питания 1l к через резистор К! в базу транзистора втекает насыщающий базовый ток 1п, являющийся здесь входным токолг высокого уровня 1 „. Таким образом, элемент РТЛ включается входным 1 напряжением высокого уровня.

По-другому, это входное напряжение можно назвать активным логическим сигналом элемента РТЛ. Действительно, сели в схеме (рис. 1.1, а) переключатель Б! находится в положении Н, транзистор УТ! открывающего тока получать не будет и поэтому закроется, Через вход А логического элемента ПО! будет стекать на земгпо очень малый входной ток низкого уровня 1,„= 1Кпсг т.е.

ток утечки перехода коллектор-база транзистора ЧТ1, о Этим током управлять нельзя. На этапе ламповых ЭВМ широко использовалась логика со входными диодами. В транзисторном варианте она называется ДТЛ-диодно- транзисторная яогика. Этот элемент показан на рис, 1,1,б. Ои имеет кзк бы обратный способ действия по сравнению с РТТ!.

Входные резисторы, сиижавшие принципиально время включения элемента РТЛ, заменены входными диодами тО! — НОЗ. Транзистор ЪТ1 активно закрывзется дополнительным внешним напряжением смещения — Бом= = — ! ... — 2 В. Диод !гО4 отделяет входную матрицу ЧО! — !ГОЗ. 1 Элемент ДТЛ ОО1 (рис. 1.1, б) можно включить, если через переключатель 51 его вход А заземлить. Тогда диод !Г01 откроется, напряжение в точке схемы Х поннзится до 0,7 В (это прямое падение напряжения на кремниевом диоде).

Отрицательное напряжение — !),м переведет транзистор тТ! в режим отсечки, он разомкнется. На выходе О появится напряжение высокого уровня О „лтлГно. Отметим, что от входа логического элемента ДТЛ в это время стекает на землю входной ток низкого уровня 1 „= (Бил †,7 В)гк1. о 1 !5 хлз)~7 Ю (- Рис. 1.1. Первые логические элементы ТТЛ: а — оннотранзисториыа элемент РТЛ; б — элемент ДТЛ; в — простейший элемент ТТЛ; и, функциональное обозначение. Когда на вход А от переключателя Я1 будет подано напряжение высокого уровня Озл, диод закроется и поэтому входной ток 1, 1 1 высокого уровня окажется пренебрежимо малым. На выходе О поянится выходное напряжение низкого уровня (зоз т к0,3 В, так как транзистор *з171 получит от источника питания 13н „ через диод ЧО4 большой ' открывающий ток !н (учтем, что Ои. существенно превышает — Усм). Таким образом, в схеме ДТЛ база ключевого транзистора тзТ! непосредственно не связана с источником сигнала, в данном случае с пс.

реключателем Я!, Следовательно, транзистор не примет многие помехи от источника. Гис. 1.2. Развитие ТТЛ (СТТЛ вЂ” ВлэюэДк среднего быстродействия; МТТЛ— мо~цныс; МмТТЛ вЂ” маломощные; ТТЛШ вЂ” с переходом Шотки; МмТТЛШ вЂ” маломощные с пере- ВВ ходом Шотки; АБ — перспективные сверхскоростные с переходом Шотки; АЕБ — перспективные экономичные с переходом Шотки; ГАЗТ вЂ” компромиссные между АЗ н АЕЗ) В 7ВВВ 7970 7У7В 7ВВВ 7ВВХ Быстродействие самых разных по схемотехнике цифровых микросхем принято сравнивать по так называемому времени задержки распространения сигнала 1эя,р, т.е.

по интервалу времени от подачи входного импульса до появления выходного. Если принять во внимание потребляемую элементом мощность Р„„то можно подсчитать энергию, необходимую этому цифровому элементу для переноса одного бита информации Эчат=1ах,р.Рчаг. По диаграмме (рнс. 1.2) можно определить, что за двадцатилетие энергия Э„„, затрачиваемая в элементе Нетрудно видеть, что в элементе ДТЛ входным запускающим явлиется ток низкого уровня, следовательно, для такой схемы активное — входное напряжение низкого логического уровня (ээх. Переход к низкому запускающему уровню оказался необходимым для обслуживания источников кодовых, цифровых, командных сигналов — кнопок, переключателей и контактов реле.

Замыканию нх контактов на провод с нулевым потенциалом сопутствует гораздо меньше ложных импульсов запуска (так называемый дребезг контактов), чем при их замыка. вии на высокий потенциал. После перехода к широкому выпуску интегральных полупроводниковых микросхем ДТЛ довольно быстро выяснилось, что для улучше. электрических параметров цифровых микросхем выгоднее заменить матрицу диодов НО! — НР4 (рис.

1.!,б) многоэмиттерпым транзи — истором (НТ! на рис. 1.1, в). Поэтому название ДТЛ трансформировалось в ТТЛ, т. е. транзисторно-транзисторная логика. Одно время существовало сокращение Т'Л, ио оно ие привилось (в отличие от названия более поздней интегральной инжекционной логики, сокращенно И'Л, для которой не было принято сокращение ИИЛ), Элемент ТТЛ (рис. 1.1, э) на дисиретных компонентах не строился, т ак как многоэмиттерный транзистор разработали лишь иа этапе интсб гральной схемотехники. Четыре р-н перехода транзистора НТ! о ра. зуют матрицу диодов, соответствующую диодам НР1 — НП4 элемента ДТЛ (рис. !.1, б), Рассмотренные трехвходовые элементы РТЛ, ДТЛ и ТТЛ имеют функциональное обозначение, показанное ва рис.

!.1, г. Существуют следующие разновидности микросхем ТТЛ: три ранних без применении р-н переходов с барьером Шотки (стандартные, маломощные и мощные), две со структурамн Шотки ТТЛШ, а также три новые, перспективные, усовершенствованные ТТЛШ, условно называемые РАЗТ, АЯ и АЕБ. На рис. !.2 (в координатах потребляемая логическим элементом мощность — годы) показана взаимосвязь вариан тов ТТЛ. ТТЛ, была уменьшена со 120...140 до 5...20 пДж, т.

е, примерно на полтора порядка. Осаовная часть этой экономии получена э резулыате многократного уменьшения времени (,д,„. Одновременно путем усовер. шенствования технологических методов изготовления полупроводниковых структур удалось снизить в 2 — 3 раза и потребляемую мощность рьь*.

Интересно, что теоретически наименьшая энергия переноса единицы информации равна произведению йТ. Здесь (с — постоянная Больцмана, Т вЂ” абсолютная температура, Произведение ВТ вЂ” это энергия элементарного шумового выброса. Для Т=-300 К ЭччтР ВТ= 1,38 10 "Х Х300=4 !О-' пДж.

Такпм образом, современные микросхемы, а следовательно, и ЭВМ, построенные на этой элементной базе, потребляют энергию, на девять порядков большую по сравнению с теоретическим пределом. Эту «энергетическую пропасть» полезао, однако, сравнить с Результатом развития, отображенным на диаграмме (см. Рис. !.2): может быть, к теоретическому пределу Эч„ — — йТ удастся приблизиться через !20 лету Ссйчас в блоках аппаратуры можно встретить все перечисленные варианты микросхем ТТЛ. Напряжение питания у них одинаковые ()ч „=5 Вп'-!О Тэ, а входные и выходные логические уровни совместимы. Мнкросхемы ТТЛ более новых серий имеют улучшевпые электрические параметры, но расположение их выводов (т.

е, цоколевка) остается прежним. Полная электрическая и конструктивная совместимость однотипных микросхем ТТЛ из разных серна снимает многие проблемы развития и улучшения параметров аппаратуры и стимулирует наращивание степени внутренней иатеграции вновь выпускаемых микросхем, когда на одном кристалле размещается все большее число функциональных узлов, многие из которых ранее были самостоятельнмми микросхемалзн. Основная номенклатура применяемых сейчас микросхем ТТЛ имеет средний уровень интеграции. Советуем читателям самостоятельно подсчитать (естественно, приблизительно) число транзисторов в микросхеме, например регистра (см. 6 1 15).

На кристалле микросхемы такой сложности располагается 1000 и более транзисторов. Сейчас все более доступными становятся большие интегральные схемы (БИС). Это микропроцессоры, контроллеры к ним, запоминающие устройства, программируемые логические матрицы и многое другое. Число транзисторов в БИС приближается к 100000. Микропроцессорная сверхбольшая интегральная схема (СБИС) имеет 350000 транзисторов при числе разрядов процессора 32. Все же для решения аппаратурных задач небольшого объема и для создания местных, локальных узлов в так называемой цифровой среде, состоящей из многих БИС, требуются и простые микросхемы.

Анализируя работу микросхем в цифровой аппаратуре, можно условно определить, что до 20 э)з из ннх должны работать с предельными скоростями во входных устройствах приема данных, а примерно 60 Та — с умереннымн в обрабатывающей, т. е. процессорной части. Остальные микросхемы могут быть низкоскоростными, экономичными. Они работают в индикаторных и регистрирующих устройствах. В общих чертах это соотношение существует и между объемами выпуска быстродействующих, стандартных н низкоскоростных микросхем ТТЛ, Исходная схема элемента ТТЛ 60-х годов оказалась пригодной для масштабного моделирования; номиналы резисторов в ней можно было увеличивать илн уменьшать в определенвое число раз. Этим приемом пропорционально изменяют как быстродействие, так и потребляе- мую мощность для микросхем разных серий.

Существенные изменения в схему логического элемента были внесены лишь на этапе внедрении стРУктУР Шотки. В 80-е годы (см. Рис. 1.2) энеРгию Эаат стаРались сни. жать путем постепенного уменьшении объема интегрального транзистора. 1.2. СХЕМОТЕХНИКА ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ Логическую функцию в элементе ТТЛ выполняет многоэмиг. терный транзистор (рис, 1.3,а).