Популярные цифровые микросхемы, страница 48

Особенность ЭСЛ в том, что схема логического элемента строится на основе интегрального дифференциального усилителя (ДУ), транзисторы которого могут переключать ток и при этом никогда не попадают в режим насыеценяя. На рис. 3.1, а показана основа логического элемента ОО! — переключатель тока !е.

Если входным свгналом АОе„открыть транзистор УТ1, через него потечет весь ток !е, вытекающий из общей точки связанных эмиттеров Э. На коллекторе транзистора УТ! окажется напряжение низкого уровня. В этот момент транзистор УТ2 тока не имеет, он вынужденно находится в состояния отсечки. На его коллекторе присутствует напряженве высокого уровня, Наличие генератора стабильного тока (ГСТ) принципиально; с его помощью строго фиксируются выходные логические уровни. В отличие от аналоговых применений диффереяциального усилителя, когда стремятся использовать разность напряжений ЫЗ„~, меткду коллекторами, цифровая микросхема, переключаюшая ток !о, снабжа- л!лгу (4.п 1( ргрк -ц- Ьц 'Ъх еу г —" — — — (' пх тухл!)А за=азу Рис.

3.!. Исходные схемы для элемента ЭСЛ: л — дифференциальный каскад — переключатель тока; и — переключателЬ тока Е опориым вкадом; а — то;ке С выходкымв амкттериыми повторителями; а — дв к. вкодовый элемент 19* 291 ется двумя инверсными выходами логических уровней Я п (3, где выде ляютсн напряжении высокого 13 и низкого 13- уровней На рис. 3.1, б показан простейший одновходовой элемент ЭСЛ. Но. вым в развитии элемента ОО! (рнс, 3.1, а) здесь является источник опор ного напряжения О,а.

Это напряжение фиксирует порог срабатывания переключателя тока. Тем самым дифференциальный усилитель превращается в логический элемент, У него теперь два состояния выходов, ко. торые переключаются лишь при условиях: (!»«>1А« илн Б,„<О«а. Од* вако при проектировании ЭСЛ ставилась задача: получить сверхскорост ную логику, В схеме (рис. 3.1,б) этого достичь нельзя, так как выход. ное сопротивление выходов Я и Я велико, оио приближается к номиналу К„. Йля снижения выходного сопротивления к коллекторным выходам подключаются эмиттерные повторителя.транзисторы ЧТЗ и ЧТ4, работающие в линейном режиме (рис. 3,1, в).

Теперь выходное сопротивленяе эмнгтерного выхода принципиально уменьшается, (3.1) где (В+ 1) — коэффипиент усиления транзистора — эмнттерного повторителя по току. Эмиттерные выходы чаще делаются «открытыми», чтобы можно было их соединять в элементы «монтажное ИЛИ», Кроме того, внутренние нагрузочные резисторы рассеивают большую мощиостгч чем сильно ухудшают тепловой баланс корпуса ЭСЛ. Ва многих случаях ие обязательно отбирать от повторителей ЧТЗ вЂ” ЧТ4 максимальный ток. Сопротивление внешнего нагрузочного резистора К„ можно выбрать самостоятельно в широких пределах, например от 300 Ом до 30 кОм, На рнс.

3.1, г показан следующий шаг развития схемотехники ЭСЛ: для получения нескольких логическвх входов следует использовать один пороговый транзистор (в схеме ои составной; ЧТЗ вЂ” ЧТ2) и несколько параллельно соединенных входных транзисторов. В данном случае логическую функцию входов Л и В реализуют транзисторы ЧТ4 и ЧТ!. В современных ЭСЛ логические входы снабжаются внутренними резисторами утечки К„» 50 кОм. Такай резистор, во-первых, позволяет оставлять неиспользуемые логические входы снободными, неприсоедииениыми; во-вторых, эти резисторы служат предыдущим элементам ЭСЛ нагрузками для их выходных эмнттериых повторителей, В правой части схемы (рис.

3,!,г) показан простейший источник порогового напряжения У»а (резисторы К1, К2 и диоды ЧВ1, ЧР2), который вырабатывает опорное напряжение 4,3 В. Он снабжен эмиттерным повторителем ЧТЗ для увеличения загрузочной способности. Отметим дальнейшую принципиальную особенность микросхем ЭСЛ: они питаются отрицательным напряжением — Уасэ (т. е, напряжение подается от эмиттеров), причем коллекторные цепи заземляются.

Этим способом повышается помехоустойчивость ЭСЛ. Ток потребления 1„, вытекает из микросхемы в источник. На рис. 3.2, а показана передача сигнала Н, от эмиттерного повторителя ЧТЗ из элемента. источника ОР! (ЛЭИ) на базовый вход транзистора ЧТ! в логическом элементе-приемнике 1Н)2 (ЛЭП). Видно, что большой ток потреблевия 1„„, протекающий по относительно тонкому проводнику коллекторного питания ((нпц, имеющему определенное погонное сопротивление Кю даст напряженне помехи ЬУю которое в сумме с сигналом У.

посзупит на вход Л2 элемента РО2. Из этого обстоятельства следует даа вывода: во.первых, коллеитор- 292 В пит' кп В„„= ВВ 1 1 Ва Влпрр ! ! -и = -Вг ила В/ "В -ХУВ ипэ 6) Рис. 3.2, Способы подачи питания на ЭСЛ: а — с за*амлзннымн змнттзраии; 6 — С нулиной колиекторной инной; в — с раз даниными колнокторными выводачн К помехам, возникаюшим в шине эмнттериого питания — ()ион, переключатель тока — дифференциальный усилитель — менее чувствителен, так как а эмиттерной цепи присутствует генератор стабильного тока, который фиксирует ток 1а, не позволяет ему изменяться, если меняется напрягкеине источника эмнттерного питания — 0и нэ (что равноценно помехе).

иая шина питания делается большого сечения н заземляется (дается цуль потенциала, см. рис. 3.2, б); во-вторых, разъединяются коллекторные цепи переключателя тока и змиттериых повторителей (рнс. 3.2, в). Корпус ЭСЛ имеет, таким образом, два вывода коллекториого питания ()кока и ()моиз н 'один вывод эмиттерного — Си„= — 5,2 В. Чем выше качество схемы ГСТ, тем значительнее ДУ ослабляет эмиттерный синфазный сигнал помехи. Желательно, чтобы ток ГСТ не зависел как от пульсапвй по шине — Бнин,так и от нзменеяий темпе.

ратуры. Учитывая вышеизложенную последовательность схемотехнического развития, нетрудно проанализировать полную схему элемента ЭСЛ серии К500 (рис. 3.3, а). На рис. З.З, б показано включение этого элемента, чуя рсг й гтласт гу "0 "Вмх и ~выл Рис. З.З. Логический элемент ЭСЛ серии К500; а — прннпипиальная схема; б — включение; а — схема для снятия переключательнмт характеристик; г — перекпючатевьнме хаРактеристики для выкпдпв я и Гр; д — временная диаграмма 3 1 1 1 6'„„Зи-Хс"о гу у,В вх причем внешние резисторы нагрузки Яи слелует присоедииять, если данный элемент работает как оконечный, Таким образом, все логические уровни ЭСЛ имеют место в отрицательной области потенциалов («под землейе). Такие логические уровни непосредствевно ие совместимы со схемами ТТЛ и КМОП, что считается большим недостатком ЭСЛ.

Оба КОЛЛЕКтОРИЫХ ВЫВОда Би „, И 1)„,КЗ ПрИСОЕдИНяЮтСя К ИуЛЕВОИ ШИНЕ (или поверхности) печатной платы. На рис, З.З, в показана схема, позволяюшая снять завксимости выходных напряжений 1) и ()- от изменение входного напряжения с) 6 Б,„, которое будем изменять с помощью потеициометра Р1. Получсивая зависимость представлена иа рис. З.З,г. Видно, что амплитуда выходных импульсов микросхем ЭСЛ (см. также осциллограмму, рис. З,З, д) примерно равна 0,9 В, Выходные импульсы симметричны относительно потенциала — 1,2 В. Каждый логический элемеит из микросхемы серии К500 потребляет статическую мощность Ри„=25 мВт, имеет время задержки распространения 1„,р,,о=2 ис, что дает в итоге энергию, потребляемую иа переключение Эим =50 пЛж, дадг д(дг И Я д д д К И вЂ” — -=дбблбнка д-дск дбдллмла р-51 Рис.

3.4. Поперечные сечения интегральных транзисторов: и — дли микросхем серии МЕСЬ1ОК; б — иии микросхем серии МЕСЬ1ООК Согласно давным рис.!.2 и !.9 микросхемы ТТЛ серии КР1531 имеют такое же время 1,к,р,,о — — 2 ис, ио потребляют иа одии элемент всего 4 мВт (Э„,=З пДж). Конкуренция са стороны ТТЛШ (АЗ, РАЗТ и АСЗ) заставила в очередной раз модериизировать массовые серии ЭСЛ. Как и в случае ТТЛШ, потребовался новый технологический процесс, На рис.

3 4,а показано поперечное сечение биполярного траизисто. ра с р-п-изоляцией, иа котором стршелись в 70-х годах как аналоговые микросхемы, так и цифровые ЭСЛ. Такие траизисторы вмели частоту единичного усиления 1,= 1,5 ГГц и обеспечивали для ЭСЛ время за держки 1,и,е--2 ис, Плотность упаковки получалась: 10 элемеитов на кв, мм, Следует отметить, что первые серии ЭСЛ появились еще всередвие 60-х годов.

В связи с чрезмерной удельной рассеиваемой мощностью этих иаиосекукдиых микросхем, мвогие их варианты тогда имели массивиую гибридную каиструкцию. В последующее двадцатилетие широкое распространение как про- тотипы получили последовательно сменявшие друг друга серии полупро- водниковых ЭСЛ фврмы Мо1ого1а (например, МЕС1.

!00, МЕС1. 1000, МЕСЬ 10000, МЕСЬ 2500). В ходе развития !ге только улучшались параметры 1„,рзр, Ра„и Э „, во и совершенствовалась схемотехника как собственно элемента, так и фуцкциональных узлов, входящих в серни. Логический элемент серии МЕСЬ 10000 (йногда ее обозначают Л1ЕСЬ !ОК) соответствует схеме рис. З.З, а. Серия МЕСЬ !00000 (или, кратко: МЕСЬ !ООК) превосходит по быстродействию микросхемы перспективных серий ТТЛЕЬ На рис. 3.4, б показан эсквз сечения биполярного транзистора, разработанного для этих субнаносекундных микросхем ЭСЛ. Здесь р-п-изоляция заменена диэлектрической 510ь поэтому 'транзисторы имеют 1,=4,5 ГГц, что обеспечивает время 1„,р,г — — 0,75 ис, За счет существенно меныпей площади интегрального транзистора плогцосгь упаковки понышастся до 20 алементов на квадратный миллиметр поверхности, хотя число транзисторов в элементе ЭСЛ стало почти в два раза больше.

На таких транзисторах строятся БИС ЭСЛ и матрацы памяти. Логический элемент серии МЕСЬ !ООК имеет диодиую цепь термокомпенсации логических уровней, а также усовершенствованный источник опорных напряжений, делающий логичесиие уровни независимыми от болыпих колебаний питающих напряжений, а также помех по цепв питания.

На рис. 3.5, а показана функциональная схема элемента серии МЕСЬ 100К, которая содержит три части: переклгочатель тока ПТ и эмиттерный повторитель ЭП, а также источник опорного напряжения ИОН, Полная принципиальная схема этого элемента приведена на рис. 3.5, б, Эмиттерцый повторитель тгТ4 можно нагрузить на резистор сопротивлением 50 Ом, подключив его вывод к потенциалу — 2 В. Предельный ток нагрузки ЭП может достигать 55 мА. Отметим, что все измерения для ЭСЛ следует проводить при установившемсятемпературном режиме, причем плату с микросхемами следует обдувать (скорость потока 2,5 и/с).

Номинальное напряжение питания для серии МЕСЬ 10ОК несколько уменьшено ( — ЬГяон — — — 4,5 В), однако логи геские уровни непосредственно совместимы с предыдущей логикой (см. рис. 3.5, а). Благодаря ИОН логические уровни не изменяются, если напряжение питания будет находиться в пределах — 4,2 В~ — 1!и,вж — 5,7 В. Статическая потребляемая мощность для субнаносекундного элемента Р„,=- =40мВт, при этом на переключение потребляется энергия Ээ„=0,75Х ус40=30 пДж. Аналогичные параметры нмеют отечественные микросхемы ЭСЛ серии К1500. На рис. 3.6 показана диаграмма пределов переключательных характеристик ЭСЛ серий К500 и К!500.