Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Цифровью схемы имеют настолько короткие фронты, что в большинстве случаев требуется учитывать эффекты, возникающие в линии передачи„наконец, схемы ЭСЛ непосредственно не совместимы с ТТЛ- и КМОП-схемамн. Тем не менее, ЭСЛ схемы по- прежнему находят свое место в качестве логических и интерфейсных элементов в сверхбыстродействующих устройствах связи, включая волоконно-оптические интерфейсы приемопередатчиков для гигабитной сети Егпегпег и сетей с асинхронной передачей данных (АТМ). *3.14.1.
Базовая схема ЭСЛ Основная идея применения токового переключателя в логической схеме показана на рис.3. 88 на примере схемы инвертора/буфера. У этой схемы два выхода: инвертируюший выход (ОПТ1) н неинвертирующий выход (ООТ2). Два транзистора образуют дифференциальный усилиглель (пг(гегелгга! атр)уЭег) с общим эмнтгерным резистором. Постоянные напряжения в этом примере имеют следующие значения: Р =5.0В, Р =4.0Ви Г =ОВ;низкийивысокийуровнинавходе,по определению, равны 3.6 В и 4.4 В. В действительности данная схема дает на выходе в качестве низкого н высокого уровней напряжения, которые на 0.6 В выше(4.2 В н 5.0 В соответственно), но в реальных ЭСЛ-схемах это скорректировано. к =зов гг гг увв =аов у,к = о.ов Рис. 3.38.
Базовая схема инвертора/буфера ЭСЛ при высоком уровне сигнала нв входе (1 Оуу — низкий уровень, Н!ОН вЂ” высокий уровень; оп — открыт, Оггзакрыт) Пусть напряжение р соответствует высокому уровню, как показано на ри-, сунке; тогда транзистор Д1 открыт, но не насыщен, а транзистор Д2 закрыт. Это . достигается путем аккуратного выбора сопротивлений резисторов и уровней на-, пряжения.
Благодаря наличию резистора Я2 напряжение р поднимается до 5.0 В (высокий уровень). Можно показать, что падение напряжения на резисторе 3.14.Эмиттерно-свяваинаялогика 217 л1 составляет около 0.8 В, так что напряжение К равно примерно 4.2 В (низкий опт! уровень).
Когда напряжение 1; соответствует низкому уровню, как показано на рис. 5,89, транзистор ь(2 открыт, но не насыщен, а транзистор Д1 закрыт. При этом напряжение К „, благодаря наличию резистора й1 поднимается до 5.0 В, а напряжение К „, как нетрудно показать, равно примерно 4.2 В. Выходы этого инвертора назьвают диффер«нгд«ыьными выходами (г1фегепг(а1 оиО»лз), потому что они всегда комплементарны, и значение выходного сигнала можно определитьь по разности между выходными напряжениями (!' „, — го, ), а не по их абсолютным значениям.
Другими словами, можно считать, что выходной сигнал равен ), если (!' „, — !', ) > О, и равен О, если (г' от, - !'о, ) < О. Входную цепь можно сделать такой, чтобы на каждый логический вхса сигнал поступал по двум проводам и его логическое значение определялось по указанному правилу; такие входы называются дифф еренг!и изьяым и входами (Мфегелгуа1 париж). Дифференциальные сигналы используются в большинстве устройств на основе ЭСЛ-схем, выполняющих функции «интерфейса» и «размножителя тактовых сигналов» из-за их малой асимметрии и высокой помехоустойчивости. Малая асимметрия обусловлена тем, что время перехода от 0 к! или от ! к 0 слабо зависит от пороговых напряжений, млорые могут изменяться с температурой или от схемы к схеме: момент перехода зависит только от того, когда одно напряжение изменит знак относительно другого.
Точно так же, «относительность» определения 0 и 1 обеспечивает превосходную помехоустойчивость, так как шум, создаваемый колебаниями напряжения питания или поступающий от внешних источников, как правило, является сиифаэныж сигналам (согитоп-топе »18па(), который действует на обоих дифференциальных входах одновременно, и при этом значение разности остается неизменным. усе = з.ов "вв =«ов гав= о.ов Рис.
3.89. Базовая схема инвертора1буфера ЭСЛ при низком уровне сигнала на входе (! Оуу — низкий уровень, Н(ОН вЂ” высокий уровень; оп -открыт, Оров закрыт) 218 Глава Э. Цифровью схемы Можно, конечно, определять логическое значение, учитывая абсолютный уровень сигнала на одном входе, который в этом случае называется несимме~причныпв Входпн (3(нд!е-ело(34()лриг), Чтобы избежать очевидного удвоения числа сигнальных линий, в большинстве «логических» приложений ЭСЛ-схем сигналы передаются по одному провалу на несимметричный вход, Базовая схема ЭСЛ-инвертора, изображенная на рис. 3.89, имеет несимметричный вход.
Кроме того, у нее всегда имеются оба «выхода», поэтому фактически схема является инвертирующим или неинвертируюшим буфером, в зависимости от того, каким выходом мы пользуемся: ООТ1 или 00Т2. Чтобы реализовать ту или иную логику на основе базовой схемы (рис, 3.89), параллельное транзистором Д/ включаются дополнительные транзисторы, подобно тому, как это делается в ТТЛ-схеме ИЛИ-НЕ. На рис. 3.90 в качестве примера приведена 2-входовая ЭСЛ-схема ИЛИ/ИЛИ-НЕ. Если на каком-либо входе имеется высокий уровень, то соответствующий входной транзистор открыт и напряжение И „, соответствует низкому уровню (выход ИЛИ-НЕ). В тоже самое время транзистор ДЗ закрыт и напряжение И, соответствует высокому уровню(выходИЛИ), (а) (с) у ~!~ ООТ2 Увв 4 ОВ у, -оов х т оитп Оотг Х У Ух Ут Щ Щ ОЗ У, У,пт, Уо 3 ООП Оотг о а 3 а о и о а о о ЗЛ З,В ОГГ ОГГ оп 3.4 5.0 Ь Н ЗВ 4.4 ОГГ пп ОГГ 3 В 4.2 Н Ь 4.4 3.6 оп ОГГ ОГГ З.В 4.2 Н Н 4,4 4.4 пп оп ОГГ З.В 42 4.2 Н 5.0 С Н З.О Ь 6.0 Ь Н Рис.
3.90. Схема 2-входоаого ЭСЛ-вентиля ИЛИ/ИЛИ-НЕ: (а) принципиальная схема; (Ь) таблица, описывающая работу схемы (( — низкий уровень, Н вЂ” высо- кий уровень; оп — открыт, ОРŠ— закрыт); (с) условное обозначение; (О) таблица истинности Вспомним, что напряжения входных уровней лля инвертора/буфера, по определению, составляют 3.6 В и 4.4 В, в то время как получаемые на выходе напряжения равны 4,2 В и 3,0 В Очевидно, что это вызывает затруднения. Для того, чтобы В.14.амиттярнс-свяваинаялогика 219 выходные напряжения соответствовали входным уровням, можно было бы последовательно с каждым выходом включить диоды, понизив тем самым напряжения на 0.6 В, но при этом остается другая проблема — мал коэффициент разветвления по выходу.
При высоком уровне на выходе данной схемы в базы входных транзисторов схем, подключенных к этому выходу, течет ток, что приводит к дополнительному падению напряжения на резисторах Я1 или Р2 и уменьшению выходного напряжения (и у нас нет достаточного запаса помехоустойчивости, чтобы преодолеть это). Перечисленные проблемы решены в серийных ЭСЛ-схемах, таких как 1ОК, которые описаны ниже.
*3. 14.2. Семейства ЭСЛ-схем 10К/10Н Микросхемы самого популярного сегодня ЭСЛ-семейства имеют обозначение, состоящее из 5 цифр в виде «10ххх» (например, 10102, 10181, 10209), поэтому его обычно называют ЭСЛ-семейством 10К(ЕСЕ 1ОК). У схем этого семейства имеются некоторые усовершенствования по сравнению с базовой ЭСЛ-схемой, описанной выше; Эмиттерные повторители, включенные на квяшом из выходов, сдвигают выходные напряжения настолько, что они соответствуют входным уровням и обеспечивают большую нагрузочную способность по току, до 50 мА на выход. Напряжение смещения К в обеспечивается внутренней цепью, поэтому отдельного, внешнего источника питания не требуется. Семейство разработано так, чтобы оно работало с К = 0 В (земля) и К = — 5.2 В.
сс ьа Как правило, при наблюдении сигналов относительно земли уровень шума оказывается меньшим, чем в случае, когда уровни сигналов отсчитываются относительно шины питания. В ЭСЛ-схемах уровни логических сигналов определяются относительно напряжения К на шине питания, поэтому разработчики семейства решили сделать это напряжение равным 0 В («чистая» земля) и использовать в качестве К отрицательное напряжение.
Помехи, возникающие в цепи питания и появляющиеся на шине К „являются «синфазным сигналом», который ослабляется в дифференциальном усилителе благодаря конфигурации его входной цепи. Микросхемы с префиксом 1ОН (ЭСЛ-семейство 1ОН; ЕСЕ 10Нгатйу) являются полностью скорректированными по напряжению, поэтому они будут нормально работать при напряжениях питания 1', отличающихся от — 5,2 В; ЕЕ' этот режим работы будет рассмотрен в разделе 3.14.4. На рис.
3.91 показано, как для ЭСЛ-семейства 1ОК определены низкий и высокий уровни. Обратите внимание: несмотря на то, что напряжение питания отрицательноо, названия уровней «низкий» (~ОЧИ) и «высокий» (Н 10Н) приняты для ЭСЛ- схем в соответствии с алгебраически низким и высоким напряжениями соответственно. Запас помехоустойчивости по постоянному току у схем ЭСЛ-семейства 1ОК намного меньше, чем у КМОП- и ТТЛ-схем, всего лишь 0.155 В при низком уровне и 0 125 В при высоком уровне. Однако ЭСЛ-схемы не нуждаются в таком же большом запасе помехоустойчивости, как схемы КМОП- и ТТЛ-семейств. В отличие от КМОП- и ТТЛ-схем, ЭСЛ-схемы при переключении создают очень малые помехи 220 Глава 3.
Цифровью схемы на шине питания и на шине земли; токи, потребляемые ЭСЛ-схемами, остаются неизменными, так как в них просто происходит переключение токае одного пути на другой. К тому же в ЭСЛ схемах выходные сопротивления эмнтгерных повторителей в любом состоянии очень малы, и внешнему источнику трудно создать помеху в сигнальной линии, подключенной к такому выходу. о о .Втс у„, -О.В1О -О.евс Уон а Запзс помекоустойчизости по настоенному току при высоком уровне Запас памехотстойчивости по пастовнному току при низком уровне т.езо у у~н у -1.475— 1.850 Уо а -1 .азов Рис. 3.91. Логические уровни ЭСЛ-семейства 10К (АВЙОЯМА1.
— непредусмот- ренный уровень, Н1ОН вЂ” высокий уровень, КВЧ- низкий уровень) На рис.3.92(а) приведена схема одного из четырех вентилей ИЛИ/ИЛИ-НЕ в микросхеме 10102. С помощью резисторов л1 и Ю на входах обеспечивается присутствие на любом из них низкого уровня, если этот вход остается ни к чему не подключенным. Номиналы компонентов в цепи смещения выбраны так, чтобы получить напряжение К = — 1.29 В, необходимое для правильной работы дифференциального усилителя. У выходных транзисторов, включенных по схеме эмиттерного повторителя, потенциал каждого эмиттера ниже потенциала соответствующей базы на величину напряжения на открытом диоде; этим достигается требуемый сдвиг выходного уровня.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
