Часть1 (Рябов В.Т. - Комплексная разработка механических, электронных и программных компонентов ТО), страница 18

Почему же по ТТЛ технологии делают только схемы малой степени интеграции? Все дело в рассеиваемой на элементе мощности. Она слишком велика. Для обеспечениявысокого быстродействия требуются большие токи, чтобы быстро вывести транзисторы изсостояния глубокого насыщения.ТТЛШ логика не позволяет транзисторам входить в состояние глубокого насыщенияблагодаря тому, что коллекторно-базовый переход шунтирован диодом Шоттки.

Ранее мыупоминали о таких диодах, это диод на переходе металл - низколегированный полупроводник. Если на топологии биполярного транзистора распространить металлизацию базы наколлекторную зону, такой диод получится автоматически, т.е. база замкнется с коллекторомдиодом Шоттки. Этот диод имеет малое падение напряжения в прямом направлении и не позволяет на коллекторе иметь напряжение ниже базового более чем на 0,3В, т.е.

ограничиваетсостояние насыщения транзистора. Имеется три семейства ТТЛШ вентилей: быстродействующая (531 серия - при том же потреблении, что и ТТЛ имеет примерно втрое меньшиевремена переключения), экономичная (555 серия - при том же быстродействии потреблениевчетверо меньше) и улучшенная (серия 1533 - большее быстродействие и втрое - четвероменьшее потребление). Типовое время переключения серии 1533 – наиболее распространенной сейчас ТТЛШ серии – около 10 – 15 нс.

Она является аналогом зарубежной серии ALS.МОП-логика. Исторически первыми появились р-МОП БИС. На таких схемах были в70-х годах сделаны первые микропроцессорные комплекты С5-11 и одноплатные отечественныемикроЭВМ, по сути – прообразы современных микроконтроллеров. Основной недостаток такойлогики – сравнительно малое быстродействие, поскольку носителем заряда являются дырки. Насмену им быстро пришла n-МОП логика. Начало 70-х. Первый микропроцессор Intel 8008, затемIntel 8080, отечественный аналог – микропроцессорный комплект К580 – все это первые n-МОПБИС. Для своего питания эти схемы требовали не одного, а целый набор напряжений +5В, ±12В,причем подаваться они должны были в определенной последовательности. Но частоты уже были в пределах нескольких мегагерц.

Чуть позже были разработаны и выпущены улучшенные nМОП серии, требующие единственного пятивольтового питания. Сейчас n-МОП – основнаятехнология выпуска недорогих БИС общего применения.Комплементарная k-МОП логика и k-МОП технология оперирует уже полевыми транзисторами с каналами «p» и «n» типа. Характерной особенностью этих приборов являетсяпрактически нулевое потребление, если схема находится в состоянии покоя и не переключается.

Частоты работы на уровне n-МОП. На рис. 2.18 показана упрощенная схема элемента ИНЕ, функциональный аналог приведенной на рис. 2.17 схемы. Чтобы перевести выход Y в состояние логического нуля (напряжениеменее 0,8В) следует открыть оба транзистора Т3 и Т4, для чего следует подать единицы (напряжение более +V/2) на на оба входа Х1 иХ2. При этом оба транзистора Т1 и Т2 закроются. При снятии высокого уровня хотя бы с одного их входов, закроется соответствующий n-канальный транзистор и откроется комплементарный ему р –канальный. Выход перейдет в состояние логической единицы и напряжение на нем будет близко к напряжению питания +V.Выход k-МОП логики симметричен относительно питания иРис.

2.18. Ячейкапредставляет собой комплементарную пару МОП транзисторов. ВИ-НЕ k-МОП логики. нуле открыт n, а в единице р - канальный, поэтому нагрузочная способность этой логики, в отличие от ТТЛ и ТТЛШ, одинакова и весьма велика.Долгое время k-МОП логику преследовал эффект тиристорного защелкивания. Иногда, чаще всего при включении питания, оказывались открыты оба выходных транзистора исхема перегорала.

Сейчас с тиристорным эффектом покончено и отечественные схемы серии1554 являются k-МОП аналогами серии ТТЛШ 1533, но имеют более высокую нагрузочнуюспособность, равные принимаемые токи в нуле и выдаваемые в единице токи, менее критичны к питанию. Серия 1554 является технологическим аналогом зарубежной серии 74АС.58Существуют и иные технологические серии ИС – эмиттерно-связанная логика, интегрально инжекционная логика и пр. Но для анализа и разработки систем автоматическогоуправления заказчику САУ достаточно на примере ТТЛШ и k-МОП серий знать об особенностях входов и выходов. Необходимые сведения обобщены в таблице 2.1.Таблица 2.1.Вход k-МОПВыход k-МОПСостояние Вход ТТЛШВыход ТТЛШНольВыдает около Принимает около Потребление ма- Принимает около200 мкА20 мАло40 мАЕдиницаПринимаетВыдает около 1 Потребление ма- Выдает около 40около 200 мкА мАломАТиповые КЛС в САУ, оформление их выходов. С помощью интегральныхвентилей часто совершают элементарные операции над информацией на периферии САУ перед вводом ее в вычислительное ядро, чтобы уменьшить число линий и разгрузить ядро отрутинных операций.На рис.2.19 приведены примеры типовых логических элементов.

Вверху приведенообозначение вентилей в отечественной литературе и технической документации, ниже обозначение, встречающееся в зарубежной литературе, еще ниже – контактно-релейный эквивалент вентиля, далее – его логическая функция и, наконец, таблица истинности, описывающаясвязь входов и выхода.

Инверсию на выводе логического элемента обозначаютмаленьким кружком. На ячейках И, обозначаемых прямоугольником символ«&» допускается не проставлять, символ«1» на ячейках ИЛИ обязателен.Выход вентиля - «открытыйколлектор». Часто выходы отдельныхвентилей подключают параллельно другдругу (рис.2.20). При этом, если хотя бына одном выходе установлен нуль (выход вентиля открыт), нуль устанавливается и на общем выходе. Такое соединеРис.2.19.

Отечественные и зарубежные схемоние называют «монтажным ИЛИ», хотя,технические обозначения, их контактнострого говоря, формируется операциярелейные эквиваленты, логические формулы и«И». Очевидно, термин пошел еще сотаблицы истинности типовых КЛС: а) инвервремен релейной логики, когда замкнутор; б) ячейка «2И-НЕ»; в) ячейка «2НЕ-И»; г)тые контакты считались единицей, а раячейка «2ИЛИ-НЕ»; д) ячейка «исключающеезомкнутые нулем, т.е.

за логическуюИЛИ-НЕ».единицу принимался физический нуль(отсутствие падения напряжения). Если подобным образом соединить выходы обычных элементов, параллельно окажутся включенными верхние транзисторы выходных каскадов ячеек. Но если навыходе какого-либо элемента «1», этот транзистор открыт и при появлении нуля на выходе другого элемента через два последовательно включенных транзистора начнет протекать чрезмерно большойток, который выведет открытые выходные транзисторы из строя.Для параллельного подключения выходов существуют вентиРис.2.20.

Параллельли с открытым коллектором. В них на выходе существует лишь одинное подключениетранзистор, коллектор которого подключен в выводу элемента и бовыходов ячеек с отлее никуда. Отбросьте в схеме на рис.2.17 резистор R2 и получитсякрытым коллектото, о чем идет речь. Вентили с открытым коллектором обладают вполтора – два раза меньшим быстродействием, поэтому необоснором.ванно их применять не следует.59Тристабильный выход.

Этот выход приспособлен для организации подключения кобщей шине. Мы вновь обращаемся к проблеме параллельного подключения нескольких выводов к одному проводу, однако, цель подключения другая. Элементы поочередно должныработать с шиной, когда им это разрешено. Так подключены ячейки памяти к шине данных идругие элементы шинной архитектуры, являющейся основой современных компьютеров.Обозначение и функциональная схема тристабильного элемента приведены на рис.2.21, а) и б) соответственно. Тристабильныйэлемент имеет три вывода: вход, выход и управляющий вход. Выходтристабильного элемента может быть в состояниях «нуль», «единиРис.2.21.

Обозначение ца» и «разомкнуто». Это третье состояние возникает, когда «кон(а) и функциональнаятакт» в функциональной схеме на рис. 2.21, б) разомкнут. Это сосхема (б) тристабильстояние называют также «вы-сокоимпедансным», т.е. в нем выходного элемента.имеет высокое (несколько МОм и даже десятков МОм у k-МОПсхем) сопротивление, как на шину питания, так и на землю. Длякраткости это состояние называют также Z-состоянием. Тристабильные элементы применяют обычно в составе выходных каскадов интегральных схем (ИС). Далее мы с такими схемами, широко применяемыми в САУ.Выпускаются типовые логические вентили, как ИС малой и средней степени интеграции.

При этом в одном корпусе компонуется несколько вентилей, обычно однотипных. Например, 4-2И-НЕ – это 14-и выводная ИС, содержащая 4 двухвходовых вентиля И-НЕ (4х3плюс два вывода питания). Обозначается она К1533ЛА3 или К1554ЛА3 – тип корпуса К, номер серии (ТТЛШ или k-МОП), функциональное обозначение ЛА3.Специализированные КЛС, выполняют те или иные широко распространенныефункции. Буферы служат для усиления входных или выходных сигналов и подключения кшинам.

Однонаправленный буфер АП5 выпускается в сериях 1533 и 1554 и представляет изсебя две раздельно управляемых четверки триггеров Шмидта с тристабильным выходом иповышенной нагрузочной способностью. На рис.2.22, а) приведено символьное обозначениев принципиальных электрических схемах, а на рис.2.22, б) – функциональная схема однойчетверки. Триггер Шмидта служит для очистки сигнала от помех и защиты от ложных переключений.