А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Для сопоставления возможностей цифровых элементов в условиях постоянного совершенствования технологии их изготовления и использования новых принципов построения необходимо определить основные параметры, позволяющие сравнивать эти элементы. К таким параметрам относят: напряжение питания; уровни напряжений, соответствующие значениям логических О и 1 на входе и выходе схемы; входной и выходной ток, потребляемую мощность. Эти параметры называют статическими.
С физической и прикладной точек зрения не менее важны диначические параметрьк быстродей- 238 Глава 10. Введение в ци ов елект онн стане, определяющее время перехода схемы из состояния 0 в состояние 1 под действием управляющего логического сигнала; энергопотребление; нагрузочная способность, определяющая число одновременно управляемых цифровых элементов, подключенных к выходу ИС. В динамическом режиме мощность, потребляемая ИС, в некоторых случаях на 2 — 3 порядка превышает статическую. Это связано с необходимостью перезарядки реактивных элементов, неизбежно присутствующих в любой реальной электронной системе. Быстродействие логических элементов ИС харак- ц, тернзуют интервалом времени между началом изменения их состояния на входе и началом изменения состояния на выходе.
Для численной его оценки используют понятие времени распространения сигнала г, „ определение которого следует из рис. 10.4. У, Быстродействие ИС определяют как наличие реактивных параметров, так и механизм протекания тока в используемых вентильных элементах. В схеме ТТЛ, логические уровни которой фиксированы закрытием биполярного транзистора или его насыщением в открьпом состоянии, задержку распро- Рис. 10.4. К определению времени странения сигнала определяет, главным образом, ме- РаспРостРанения сигнала в цифроханизм протекания тока, который ограничивает время, необходимое для перехода транзистора из насыщенного в закрытое состояние.
Наличие паразитных емкостей на входе и выходе транзистора менее существенно, тем более что время перезарядки этих емкостей можно сократить, уменьшая сопротивление резисторов, через которые происходит перезарядка паразитных емкостей. При этом, однако, увеличивается мощность, потребляемая микросхемой от источников питания. Величина переключаемого тока однозначно связана с нагрузочной способностью логического элемента.
Максимальное число управляемых элементов (коэффициент разветвления по выходу) определяет потребляемая ими входная мощность. Число подключаемых элементов может быть увеличено введением промежуточных буферных элементов — повторителей. Важнейшей характеристикой логического элемента является энергия, затрачиваемая на его переключение — энергия получения одного бита информации. Теоретически минимальное значение этой энергии равно й2', что при Т = 300 К составляет 4,15 1О ' пДж. Энергия же, расходуемая при переключении реального логического элемента, определяется произведением разности напряжений логических уровней на величину переключаемого тока и время переключения.
Ее можно найти, пользуясь справочными данными о параметрах ИС. Так, для серии К 155 она составляет около 100 пДж, а для серии К 1533 — около 5 пДж. Таким образом, современные цифровые элементы потребляют энергию, на девять порядков превышающую минимальное значение. По этой причине большой интерес вызывают цифровые устройства на основе эффекта Джозефсона, работающие при температуре 4,2 К. Они позволяют снизить энергию, потребляемую при переключении логического элемента, до 10 ' пДж. Достаточно полное представление об особенностях различных серий цифровых интегральных схем дает сравнение их базовых элементов типа И вЂ” НЕ и ИЛИ-НЕ. Для реализации элемента И вЂ” НЕ в системе РДЛ и ДТЛ логический элемент рис.
10.1 необходимо дополнить схемой инвертора — простейшего резистивного усилителя. При этом схема И-НЕ семейства ДТЛ примет вид рис. 10.5. Если хотя бы к одному из входов Х„Х, приложен логический ноль, то потенциал точки А близок к нулю, диоды У224 и УР, заперты. Ток базы транзистора УТ, равен нулю, и УТ, закрыт, т. е. потенциал точки У близок к напряжению питания, что соответствует наличию на выходе логической единицы.
При'подаче на все входы логической единицы входные диоды 10.3. Физические основы построения элементов циф овой элект ники 239 оказываются запертыми. Напряжение в точке А возрастает, стремясь к напряжению источника питания. Его рост вызывает появление тока базы (гТ1. При достаточной величине тока базы, определяемого значениями Л1 и 221, транзистор УТ1 входит в насыщение, и напряжение на нем уменьшается приблизительно до 0,2 В, что соответствует уровню логического нуля. Представленная на рис. 10.5 трехвходовая схема ЗИ-НЕ благодаря наличию диодов РР„и 1'Р„увеличивающих порог отпирания Ь'Т1, обладает повышенной помехоустойчивостью. Рассмотренный пример реализации элемента И— НЕ семейства ДТЛ позволяет легко перейти к анализу особенностей построения элементов ТТЛ. Роль ключа в этих элементах выполняют многоэмиттерные транзисторы, которые фактически эквивалентны соединению диодов РР1 1 и УР4, УР1 рис.
10.5. Схема элемента, использующего многоэмиттерный транзистор, показана на рис. 10.6 а. Подача хотя бы на один из входов Х напряжения высокого уровня (Е„) закрывает-соответствующий эмиттерный переход. Разность потенциалов между эмнттером и базой становится близкой к нулю. Ток, протекающий через за- ~Не.
10.З. СХЕМа ЗЛЕЫЕНта И крытый переход, спета ет'единицы наноампер. В ДИОДНО- РаНЗИСТОРНой ЛОГИ то же время через прямосмешенный коллекторный переход транзистора Ъ'Т1 протекает ток, создающий на сопротивлении нагрузки падение напряжения У = Е„Рт„Г(Я1 + В„), которое при выполнении условия В„>) В1 близко к Е„. Как легко убедиться, рассматриваемый элемент рис. 10.6 не меняет фазу входного сигнала и при подаче на один из выходов Х,, напряжения низкого уровня. В случае использования одного из управляющих входов он является неинвертируюшим, или буферным элементом. Добавление еще одного транзистора (рис. 10.6б) превращает рассмотренную схему в элемент ЗИ вЂ” НЕ.
Пусть на один из эмиттеров $"Т1 подано напряжение высокого уровня. Оно запирает переход эмиттер — база, смещая коллекторный переход УТ1 в прямом направлении. Коллекторный ток )гТ1 насыщает транзистор )гТ1. При этом напряжение на его коллекторе 0,2 В соответствует логическому нулю. Число эмиттеров многоэмиттерного транзистора УТ1 характеризует коэффициент разветвления элемента по входу.
Его значение достигает 8. Хз х, Х,' х1 Х2 ХЗ Рис. 10.6, Буферный элемент на основе многоэмитгерного транзистора прн использовании одного входа (а); анвертор (б) Нагрузочная способность рассмотренной схемы определяется ее выходным сопротивлением, которое зависит от величины сопротивления резистора В,. Для уменьшения выходного сопротивления (увеличения нагрузочной способности и быстродействия базового элемента) используют дополнительный выходной каскад. Схема базового элемента ТТЛ ЗИ-НЕ и его условное обозначение приведены на рис. 10.7а,б.
Транзистор УТ1 является предварительным усилителем выходных сигналов схемы И. На его Глава 10. Введение в ци ов ю алект они выходах формируются два противофазных напряжения, необходимых для управления транзисторами выходного каскада. 'йп- х, Х2 лз Рис. 10.7.
Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики ЗИ— НЕ (а) и его условное обозначение (б) Допустим, что на все входы элемента подан высокий уровень сигнала — логическая единица. Тогда напряжение в точке А близко к напряжению питания. Ток, протекающий через В„открывает УТ,. Увеличивающееся при этом падение напряжения на 21, открывает УТ„переводя его в режим насыщенна, соответствующий появлению на выходе У логического нуля. Транзистор УТ4 закрыт благодаря наличию в цепи его эмиттера диода )гР„смешаюшего постоянный уровень напряжения. В том случае, когда хотя бы на одном из входов действует логический ноль, УТ, заперт. Его эмиттер находится под потенциалом, близким к нулю. Следовательно, КТ, тоже заперт. Запертый КТ, фактически является нагрузкой эмиттерного повторителя на ИТ4, который открыт током базы, протекающим через В,. Выходной сигнал на нагрузке эмиттерного повторителя (ИТ,) приблизительно равен разности напряжения источника питания и прямого падения напряжения на В„ УТ, н УР„ что соответствует уровню Рис.
10.8. Элемент ТТЛ ЗИ вЂ” 2ИЛИ вЂ” НЕ (а) и его логической единицы 2,5 В. Резистор Д, условное обозначение (б) ограничивает максимальный ток, пре- дохраняя УТ от теплового пробоя. Диоды УР,, на входах элементов ТТЛ образуют параллельные ограничители, защищающие логические элемент от воздействия помех отрицательной полярности. При воздействии управляющих сигналов положительной полярности они заперты и не влияют на работу элемента.
Для получения элемента ИЛИ вЂ” НЕ серии ТТЛ применяют стандартный для создания подобных схем способ параллельного включения транзисторов, управляющих выходным состоянием элемента. Он имеет название расширения ло ХРГХХ. Пример его реализации приведен на рис. 10.8 а. Использование одного из входов Х,, и одного из входов Х,, превращает эту схему в элемент 2ИЛИ вЂ” НЕ, что следует из проведенного ранее рассмотрения принципа действия схемы 10.7. При использовании всех шести входов Х, в 10.3.
Физические основы построения элементов ци овой элект оники 241 элемент 10.8, а выполняет логическую функцию ЗИ-2ИЛИ вЂ” НЕ и имеет условное обозначение 10.8, б. Нагрузочная способность элементов серии ТТЛ высока и определяется малым выходным сопротивлением оконечного каскада логических элементов. В одном случае оно равно сопротивлению насыщенного транзистора УТ,, нормируюшего уровень логического нуля, а в другом — выходному сопротивлению эмитгерного повторителя на УТ„ нормнруюшего в открытом состоянии уровень логической единицы.
При переключении элементов серии ТТЛ образующие их транзисторы переходят из режима отсечки в режим насыщения и наоборот. Существенное изменение режимов работы транзисторов требует значительного времени, поэтому быстродействие элементов серии ТТЛ невелико: частота переключения имеет величину порядка 10 МГц (серия К155), а энергия, расходуемая при переключении, составляет около 100 пДж. . Существенное повышение быстродействия элементов ТТЛ может быть достигнуто предотвращением в транзисторах режима насыщения. Такую возможность дают диоды Шоттки, включаемые в прямом напра- ~-'>щ аленин параллельно коллекторным переходам транзисторов (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
