Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 1. Основы цифровой электроники на ИС (1987) (1092081), страница 27
Текст из файла (страница 27)
В этих случаях говорят о цифровых схемах типа МИС (малые ИС), СИС (средние ИС), БИС (большие ИС) и СБИС (сверхбольшие ИС). Примером СБИС является современный микропроцессор (МП), состоящий нз -20000 транзисторов на одном кристалле. По сравнению с механическим переключателем транзистор имеет тот недостаток, что в короткозамкнутом (открытом) состоянии сопротивление между его выводами не равно нулю, а в разомкнутом (запертом) состоянии через него протекает небольшой ток утечки. Биполярный транзистор применяется в качестве переключающего элемента в схеме с общим эмиттером (рис.
4.1) и. Если нижний вывод резистора нагрузки )т заземлен через небольшое и В отечественной литературе транзисторы, входящие в состав ИС, обозначаются беэ кружка. — Прим. рад. (б9 Семейства логических схем сопротивление, через него протекает максимальный ток. Это соответствует случаю, когда транзистор работает в режиме насыщения. При этом предполагается, что разность потенциалов между коллектором и эмиттером (г'„, становится меньше разности потенциалов между базой и эмиттером Оба (в кремниевых эпитаксиальных транзисторах У„(100 мВ).
Для работы в режиме насыщения требуется обеспечить ток базы, равный 1и макс/а'., „, где а' „или Йе „„, — минимальный коэффициент +ив +ив Рис, 4Л Биполярный транзистор в схе- 4 ме с общим эмиттером в качестве бесконтактного переключателя (а) н его ме- ханический эививалеит (б]. усиления по току, который можно ожидать для переключающих транзисторов данного типа. При запирании транзистора через резистор нагрузки 14, течет минимальный ток.
Это имеет место при (збе(0,5 В. На рис. 4.2 приведена характеристика идеального переключателя. Мы видим, что в короткозамкнутом состоя- Рис. 42 Характеристика идеального переключателя. нии ток через нагрузку равен УлЯн, а в разомкнутом состоянии ток и падение напряжения на нагрузке равны нулю. Напряжение же между выводами переключателя равно Ув. Характеристика переключения транзистора приведена на рнс.
4.3, из которой следует, что в режиме насыщения максимальный ток, равный УвЯю не достигается. На транзисторе происходит небольшое падение напряжения, которое называет- Глава 4 ся напряжением насыщения Укэ(нэс). В разомкнутом состоянии ток не равен нулю и через транзистор протекает небольшой ток утечки, который создает на )с, разность потенциалов, равную о.— и,. б Ф У(ббпгауИисг (гбдзбаеии Рис. 4.3. Характеристика переключения транзистора. (В случае кремниевого транзистора обратным током обычно пренебрегают.) Если в цифровых схемах используются полевые транзисторы, то высокое «прямое» сопротивление в статическом режиме не создает особых проблем, потому что при управлении полевым транзистором в отличие от биполярного практически не потребляется мощность (рис.
4.4). Это дает возможность применять высокоомные схемы, которые, однако, обеспечивают меньэс Рис 4.4 Полевой транзистор в качестве переключающего элемента (а) и его механический эквивалент (б). алую скорость переключения по сравнению с биполярным транзистором. Причина заключается в том, что собственные емкости полевого транзистора н емкости соединительных элементов замедляют процесс изменения напряжений и токов в соответствующих переключающих схемах. Таким образом, при рассмотрении обоих типов транзисторов мы исходим из того, что переключающий элемент должен вклю- Семейства логических схем чаться и выключаться в точности так, как механический переключатель.
С этой же целью мы можем использовать и другой критерий, например два уровня напряжения, которые соответствуют двум состояниям транзисторного переключателя. Один уровень напряжения будет соответствовать «замыканию», а другой — «размыканию». Такой подход обеспечивает определенные преимущества в отношении скорости переключения, потому что при переключении режим насыщения можно исключить. В результате логические схемы могкно разделить на две большие группы: а) схемы, в которых транзистор управляется в режиме насыщения (насыщенные логические схемы); б) схемы, в которых транзистор управляется в ненасыщенном режиме (ненасыщенные логические схемы). Логические схемы из первой группы, как уже сказано, являются более медленными, так как при работе в режиме насыщения на транзистор оказывает воздействие эффект накопления заряда.
Быстродействие таких схем можно увеличить, применяя в них транзисторы с высокой граничной частотой. Одним из достоинств насыщенных логических схем при низкой частоте переключения является малое рассеяние мощности в транзисторе в режиме переключения. В запертом состоянии через транзистор протекает малый ток и рассеяние мощности близко к нулю. То же наблюдается и в открытом состоянии, так как напряжение насыщения эпитаксиального транзистора настолько мало, что его произведение на ток через коллектор оказывается незначительным.
Другим достоинством этих схем является более низкая чувствительность к помехам. К ненасыщенным логическим схемам относится ЭСЛ-семейство. Ниже рассматриваются наиболее часто используемые семей. ства практических логических схем, в которых в качестве индикатора полярности вместо кружка применяется полустрелка (по системе обозначений МЭК). Кроме того, введено обозначение сигналов с помощью букв Ь и Н, помещенных в круглых скобках, которые в спецификации пп1зрес более четко указывают, при каких условиях эти сигналы являются «истинными».
Мы уже говорили об этом в гл. 2 разд. 2.9. Если в других томах этой книги неожиданно встретятся отклонения от указанного способа обозначений, их смысл можно будет понять непосредственно из применяемых символов. 4.2. Резисторно-транзисторная логика (РТЛ) На начальной стадии развития техники цифровых ИС прежде всего использовались схемы, которые легко можно было реализовать и свойства которых уже были известны (на основе 162 Глава 4 аналогии с обычными схемами, собранными из дискретных компонентов). Простейшими из этих схем являются схемы ~резисторнотранзисторной логики (РТЛ), которые под разными названиями выпускались несколькими фирмами.
На рис. 4.5 показана базо- ив и*! с=в ю-в+с оси Рис. 4.5. Базовая РТЛ-схема с таблицей истинности. Б таблице применяются обозначения МЭК лля уровней напряжения. вая РТЛ-схема, в которой транзистор находится в режиме насыщения, если на одном или нескольких входах имеется напряжение высокого уровня (Н). Прн этом выходное напряжение схемы равно О В (Ь). Таким образом, в рамках положительной логики эта РТЛ-схема является схемой ИЛИ-НЕ с функцией Р=А+В+С.
Выходное напряжение схемы имеет высокий уровень (Н), если все три входных напряжения равны нулю (ь). В режиме с низким уровнем на входе (О В, отрицательная логика), схема ведет себя как схема И-НЕ с функцией Р=А.В С. Соединения РТЛ-схем между собой показаны на рис. 4.6. 1зз Семейства логических схем Рис, 4.6, Соединения между РТЛ-схемами. 4.3. Диодная логика (ДЛ) и диодно-транзисторная логика (ДТЛ) с дискретными компонентами На рис. 4.7 приведены две схемы, в которых логические функции реализуются с помощью полупроводниковых диодов.
В схеме, показанной на рис. 4.7, а, выходное напряжение положительно, если положительны А или В или С. Выходное напряжение отрицательно, если отрицательны А и В и С. Таким образом, эта схема ведет себя как схема ИЛИ при положительных и как схема И при отрицательных входных сигналах. В диодной схеме, показанной на рис. 4.7,б, наоборот, реализуется функция ИЛИ для отрицательных входных сигналов и тв ча ча Рис. 4.7.
Диодная логика. функция И для положительных. Выходной сигнал диодных схем можно использовать для управления другими логическими диодными схемами. За счет неизбежных потерь уровни напряжения для различных состояний рассматриваемых схем сближаются между собой. По истечении некоторого времени глава 4 высокий уровень (Н) нельзя будет отличить от низкого уровня (1,). В логических схемах, где требуется высокая надежность, за диодным вентилем обычно включают транзистор, который фиксирует уровень логического напряжения. Подобные логические схемы обозначаются как ДТЛ-схемы (рис. 4.8). 1 1 ! Нг 1 регис нагру~ Нлв нас Логическая схема типа приведенной на рис.
4.8 управляется сигналами, которые вырабатываются схемами с такой же структурой. Это означает, что уровни напряжения входных и выходных сигналов одинаковы. Если в схеме, приведенной на рис. 4.8, на входе А появляется напряжение +Уз, входной диод запирается и транзистор Т2 управляется током, протекающим через резисторы И и )т2. Если же, наоборот, на вход А подается напряжение О В (транзистор Т1 открыт), то за счет падения напряжения на делителе йг2ЯЗ на базе возникнет отрицательное смешение, в результате чего транзистор Т2, выполняю- 1 1 1 1 ! 1 1 1 1 1 ! 1 \- Рис 4.8. Диодио-траиаисториаи логика (ДТЛ).
1 1 1 1 1 ! ! ! 1 1 ! 1 ! ! еи влвс - исл Рис, 4.9. Базовая схема диодно-транзисторной логики с таблицей истинности. (С таблицей уровней по системе МЭК.) +он +со со Рис. 4.!О. ДТЛ-схемы (И-ИЛИ). 166 Глава 4 щий функции инвертора, окажется закрытым. Выходное напряжение схемы станет равным +На. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
