Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 1. Основы цифровой электроники на ИС (1987) (1092081), страница 28
Текст из файла (страница 28)
4.9 приведена ДТЛ-схема, которая в течение ряда лет использовалась в качестве стандартной. Эта схема является схемой И-НЕ для единиц (Н) при положительной логике и ИЛИ-НЕ для нулей (Ь). Комбинация И-ИЛИ при положительной логике получается путем соединения ДТЛ-элементов так, как показано на рис. 4.!О. В случае схемы И-НЕ (рис. 4.9) выходное напряжение равно О В (Е), если все входные напряжения положительны (Н). При этом входные диоды запираются и транзистор управляется через входной резистор с сопротивлением 4 кОм. Выходное напряжение этой схемы имеет высокий уровень (Н), если на один или несколько входов подается напряжение низкого уровня (й).
4.4. Логические уровни напряжения. Коэффициент разветвления по выходу. Помехоустойчивость В общем случае мы исходим из того, что логическая схема является идеальным переключателем, так как всегда предполагаем, что, если выходной транзистор отперт, напряжение на выходе схемы равно О В, а если он заперт, выходное напряжение равно + Уа. Это предположение упрощает объяснение работы цифровой схемы.
Однако транзистор не является идеальным переключателем, т. е. напряжение низкого уровня (й) не равно точно О В, а напряжение высокого уровня (Н) не равно точно Уа (разд. 4.1). Поэтому для анализа безотказной работы цифровой схемы в экстремальных условиях необходимо ввести понятие помехоустойчивости. Изнестно, что сигнальные линии обычно наводят друг на друга помехи, которые, однако, не должны приводить к тому, чтобы нормальное функционнронание одной схемы нарушалось другой. Кроме того, нормальная работа цифровой схемы не должна зависеть от случайных изменений напряжения питания в определенных допустимых пределах.
Для более подробного изучения этой проблемы рассмотрим какую-нибудь конкретную ДТЛ-схему. Спрашивается: в каких пределах может изменяться входное логическое напряжение, чтобы оно воспринималось схемой как, например, напряжение низкого уровня? Очевидно, граница этого диапазона должна лежать выше максимального напряжения насыщения, которое можно ожидать на управляемом выходе. При коэффициенте разветвления по выходу, равном 10, максимальное напряжение насыщения современного кремниевого эпитаксиального транзи- 167 Семейства логических схем стора составляет 0,4 В. Под коэффициентом разветвления по выходу мы подразумеваем максимальное число входов-потребителей, которое можно присоединить к одному выходу-источнику. ! ! Пвв,х П,„ а 1 Ствых / Пвых. мин Порог 0,46 4,0 Г Пвк, макс Пвх ман Порог 0,4 В аа "вых.
макс 04 Земля Рис. 4.11. Логические уровни напряжения для входа и вь1хода пифровой схемы с опредсленной помехоустойчивостью (0,4 В). и Верхний индекс (О или 1) обозначает соответствующее состояние при положительной логике, т, е. О=и и ! =Н. — Прим. ргд. Если при напряжении питания 5 В требуется обеспечить помехоустойчивость, равную, например, 0,4 В, это означает, что вход схемы должен с большой вероятностью воспринимать низкий уровень после того, как выходное напряжение предшествующей схемы станет ниже уровня 0,8 В. В связи с этим фирмы-изготовители обычно указывают Уа,„„„„т. е. максимальное напряжение сигнала, при котором переключается вход, и (l вых. маис, т. е.
максимальное выходное напряжение для сит палов низкого уровня (рис. 4.11)'1. Если присоединить вход какой-нибудь ДТЛ-схемы к Е-вы- 168 Глава 4 ходу другой ДТЛ-схемы, то, как следует из рис. 4.10, ток потечет из точки Уа через 1т1, входной диод и переход коллектор— эмиттер управляющего транзистора на землю. Этот ток обозначается в американской литературе 1мыа Управляющая цифровая схема потребляет при этом ток, который течет в базовой цепи управляемой цифровой схемы. Понятие помехоустойчивости применимо и в случае сигналов высокого уровня. В ДТЛ-схемах между коллектором выходного транзистора и точкой Уа включается резистор нагрузки.
При запирании управляющего транзистора этот резистор «заботится» о том, чтобы выходное напряжение повысилось до высокого уровня. Его можно заменить активным элементом, в результате чего получается каскадный выход, применяемый в основном ТТЛ-схемах. Таким образом, резистор нагрузки поддерживает на выходе напряжение высокого уровня.
Величина этого напряжения уменьшается из-за обратного тока, который протекает через входные диоды (1О диодов при коэффициенте разветвления по выходу, равном 10). При токе утечки 1О мкА на один диод максимальный ток составляет О,1 мА. Как будет показано ниже, резистор нагрузки имеет сопротивление 1О кОм, поэтому падение напряжения на нем составит 1 В.
При напряжении питания 5 В это означает, что напряжение высокого уровня будет не выше 4 В. Использование резистора нагрузки с небольшим сопротивлением несколько улучшает данную ситуацию, однако при этом возникают ограничения, связанные с уменьшением коэффициента разветвления по выходу. Если необходимо обеспечить для высокого уровня заданную помехоустойчивость, например, равную 0,4 В, это означает, что вход управляемой схемы должен переключаться вплоть до уровня напряжения 3,6 В. Фирмы-изготовители обычно обозначают этот уровень напряжения как 1У',„,„„.
Ток утечки в управляющей схеме называется 1зоигсе и течет От тОчки 1Уа через резистор нагрузки, входной диод, узловую точку Р!Я2 и затем через переход база — эмиттер входного транзистора на землю. На рис. 4.11 показано, как должны располагаться уровни напряжения для того, чтобы обеспечить указанные выше шумовые пороги.
В цифровой технике для описания шумового порога, а также помехоустойчивости используются так называемые средние н гарантированные величины. Гарантированное значение свидетельствует, что помехи не проходят на выход до тех пор, пока их амплитуда не выйдет за пределы допустимого значения помехоустойчивости. При средних значениях входные помехи, находящиеся в пределах величины помехоустойчивости, могут привести к появлению выход- Семейства логических схем ных помех, которые, однако, не дадут ложных запусков последующих элементов цифровой схемы.
Иногда неясно, какие именно величины приводятся фирмами-изготовителями в технических описаниях, хотя между обеими величинами существует большая разница. Это видно на примере КМОП-схем, где средняя помехоустойчивость составляет 45% напряжения питания, а гарантированная помехоустойчивость — всего 30%. 4.5. Высокопомехоустойчивые логические схемы (Н!й!1Е) Название Н!!х!1Е является сокращением от словосочетания Н!и!1 !х!о!зе 1тпщпйу 1оя!с (логнческие схемы с высокой помехоустойчивостью). Данное семейство разработано фирмой Те1е- Фов Рис. 4.12. НН41 -схема И-НЕ с резистором иагрузии.
г!упе на основе ДТЛ-схем с высокой помехоустойчивостью. В этих схемах для фиксации уровня входного напряжения используются стабилитроны (РЗ) (рис. 4.12). На выходе схемы используется активное сопротивление нагрузки в виде транзистора, который включен в режиме эмиттерного повторителя. Если выходное напряжение на коллекторе 170 Глава 4 еив Рис. 4.!3 Н1Х1ь-схема И-НЕ с дополнительным эмиттерным повторителем на входе. и 140 (Гв Сосягояяоеу Парог стяя да7ее- яого рросяя оак яаке о Ьк лекс Порог ояя япакого длауя Пгмк Соскяаяное 0 Рис, 4.14. Уровни и пороги напряжения в Н114Н.-семействе при 1тв=-+15 В.
транзистора Т1 начнет увеличиваться, эмиттерный повторитель воспроизведет увеличение напряжения, при этом через транзистор Т2 пройдет ббльшая часть тока из источника 11в во внешнюю нагрузку (1„„„,). Если выходное напряжение имеет низкий уровень, нагрузочный ток (1а~ан) потечет на землю через выходной диод (114) и переход коллектор — эмиттер транзистора Т1. Семейство Н(ХН. содержит схемы, к которым можно под. ключить внешний коллекторный резистор.
В этом случае эмиттерный повторитель не нужен. Такой вариант схем имеет «ИЛИ-подобный» выход (МОНТАЖНОЕ ИЛИ). 171 Семейства логических схем Для расширения диапазона управления транзистором Т1 (рис. 4.12) — что позволяет увеличить коэффициент разветвления по выходу — между диодной цепью и транзистором 71 можно включить дополнительный эмиттерный повторитель, как показано в схеме на рис. 4.13.
Н1КН.-схемы обладают для сигналов высокого уровня помехоустойчивостью 6,5 В и для сигналов низкого уровня — +3,2 В при Он=+15 В (рис. 4.14). 4.6. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) Совершенно новое направление, которое возникло в ходе эволюции ИС, применяемых в цифровой электронике, связано с ТТЛ-семейством. Оно состоит из логических схем, быстрое развитие которых связано с их более высоким быстродействием по сравнению с РТЛ-и ДТЛ-схемами и, кроме того, с более простой технологией изготовления. Последнее обстоятельство имеет важное значение с точки зрения затрат и организации производства.
Хорошие характеристики ТТЛ-схем и существенное снижение их стоимости в последние годы привели к тому, что в настоящее время это семейство нашло широкое распространение. 4.7. Серии 74000 Серна 7400 разработана несколько лет назад фирмой Техаз 1пз1гншеп1з, которая выполнила много новаторских разработок в области логических схем. В настоящее время эта серия производится другими фирмами, в том числе и европейскими, такими, как фирма 51етепз, которая выпускает ее как серию Р1. Серия 7400 является теперь стандартным разделом каталогов многих фирм, С течением времени в рамках этой серии возникли и другие варианты, такие, как серия 74Н и серия 741., которые состоят из быстродействующих и маломощных ТТЛ-схем соответственно. Разработкой последних лет является маломощное ТТЛ-семейство логических схем с диодами Шотки (ТТЛШ), характеристики которых аналогичны характеристикам ТТЛ-схем при более низкой (в 5 раз),потребляемой мощности.
Серия 7400 (серия Н ) состоит из ТТЛ-схем, которые работают с напряжением питания +5 В и применяются в температурном диапазоне 0 — 70 'С. Логический низкий уровень равен 0,2 В, а логический высокий уровень составляет 3,3 В. Помехоустойчивость в среднем превышает 1 В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
