Изъюрова Г.И. Расчёт электронных схем. Примеры и задачи (1987) (1142057), страница 33
Текст из файла (страница 33)
9.1). На временщйх диаграммах введены сле- дующие обозначения: г~л — время перехода из состояния логи- ческого нуля в состояние логической единицы, измеренное между уровнями 0,1 и 0,9 логического перепада сигнала; гьв — время перехода нз состояния логической единицы в состояние логи- ческого нуля, измеренное между уровнями 0,9 и 0,1 логического перепада сигнала; г,',лг — время задержки распространения сиг- нала при включении микросхемы, измеренное между уровнями 0,5 логического перепада входного и выходного сигналов; — время задержки распространения сигнала при выключе- а~ мг нни микросхемы, измеренное между уровнями 0,5 логического перепада входного и выходного сигналов. Среднее время задержки распространения сигнала Ь р, 5 9.2.
БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Логические ИМС объединяют в серии. В основе каждой серии лежит базовый элемент, представляющий собой электрическую схему, выполняющую логическую операцию И вЂ” НЕ либо ИЛИ вЂ” НЕ. От параметров базового элемента в значительной степени зависят свойства и функциональные возможности разрабатываемой серии логических микросхем. По принципу построения базовые элементы выпускаемых промышленностью логических ИМС можно выделить в следующие основные группы: 1) днодно-транзисторные логические элементы (ДТЛ); 2) транзисторно-транзисторные элементы (ТТЛ); 3) элементы эмиттерно-связанной логики на переключателях тока (ЭСЛ); 4) элементы с инжекционным питанием (И~Л), 5) элементы на МДП-транзисторах.
Диодно-транзисторные элементы. Базовый элемент ДТЛ (рис. 9.2) выполняет логическую операцию И вЂ” НЕ. При запирании положительным напрюкением всех входных диодов управляющий транзистор, выполняющий роль инвсртора, отпирается, формируя на выходе сигнал низкого уровня. Входные диоды должны иметь очень малое прямое сопротивление. В противном случае падение напряжения на открытом входном диоде от протекания тока 1„= Е„((г + К, ) может привести к отпиранию управляющего транзистора. Кроме того, диоды должны иметь достаточно высокое быстродействие, чтобы не влиять на быстродействие всей микросхемъь Диоды смещения Д,„должны иметь достаточно большое пороговое напряжение отпирания для повышения помехоустойчивости схемы, а также малое прямое сопротивление для уменьшения потерь в цепи смещения после их отпирания.
Для повышения нагрузочной способности элемента ДТЛ один нз диодов смещения можно заменить транзистором, коллектор которого подключен к общей точке резисторов К,' и К," (рис. 9.3). Резисторы К,' и К", образуют делитель напряжения с коэффициентом деления у. Эмнттерный переход транзистора играет роль смещающего диода. С уменьшением коэффициента деления у возрастает ток эмнттера транзистора Т,„, который является одновременно базовым током управляющего транзи- ь» г ь)ж Рис. йй ора Т. ПРи этом УвеличиваетсЯ нагРУзочнаЯ способность схемы (коэффициент разветвления), но повышается степень насыщения транзистора Т.
Оптимальное значение у составляет 0,6-0,7. другим способом повышения нагрузочной способности элемента ДТЛ является использование на выходе схемы так называемого сложного инвертора (рнс. 9.4). Сложный инвертор представляет собой двухтактный усилитель мощности на транзисторах, работающих в ключевом режиме. Применение сложного иввертора позволяет не только повысить нагрузочную способность микросхемы, но и сохраняет ее высокую помехоустойчивость, так как эмиттерный переход транзистора Т, выполняет роль смещающего диода.
Схема работает следующим образом. При низком уровне хотя бы одного входного сигнала транзистор Т, закрыт. Со. стояние транзистора Т, определяется состоянием транзистора Т,: при закрытом транзисторе Т, транзистор Т, также будет закрыт, а составной транзистор (Тз- Т ) — открыл. Однако в элементе ДТЛ со сложным инвертором при переключении в цепи Т,-Т, возникают броски тока, создающие заметные помехи по цепи питания. Для устранения этого явления включают токоограничивающий резистор К .
Транзисторно-транзисторные элементы. Простейпщй базовый элемент транзисторно-транзисторной логики (рис. 9.5) в принципе повторяет структуру микросхем ДТЛ-типа. В то же время за счет использования многоэмнттериого транзистора, объединяющего свойства диода и транзисторного усилителя, эта схема позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления.
Базовый элемент ТТЛ, так же как и элемент ДТЛ, выполняет логическую операцию И вЂ” НЕ. При низком уровне сигнала (логический нуль) хотя бы на одном из входов многоэмнттерного транзистора Т, последний находится в состоянии насыщения, а транзистор Т, закрыт. На выходе схемы существует вы- Рис. й5 сокий уровень напряжения (логическая единица) При высоком уровне сигнала на всех входах многоэмиттерный транзистор Т, работает в активном инверсном режиме, а транзистор Т находится в состоянии насыщения.
Описанный здесь базовый элемент ТТЛ-логики, несмотря на упрощенную технологию изготовления, не нашел широкого применения из-за низкой помехоустойчивости, малой нагрузочной способности и малого быстродействия при работе на емкостную нагрузку. Его целесообразно использовать лишь при разработке микросхем с открьпым коллектором для реализации функции кмонтажное ИЛИ», а также для включения элементов инлнкации, когда не требуется высокая помехоустойчивость и большая нагрузочная способность. Дополнительными компонентами в схеме базового элемента ТТЛ (рис.
9.6) по сравнению со схемой на рис. 9.5 являются транзисторы Т и Т, образующие сложный инвертор. Диод Д повышает порог отпирания транзистора Т„обеспечивая его закрытое состояние при открытом и насыщенном транзисторе Рис. йб 7 . Использование сложного иивертора повышает помехоа. устойчивость и нагрузочную способность схемы. Базовый элемент (рис. 9.б) является основным при разработке современных .
микросхем ТТЛ-логики. Наряду с микросхемами ТТЛ-логики разработаны микросхемы типа ТТЛШ, в которых для увеличения быстродействия использованы транзисторы Шотки, работающие в активном режиме, Транзистор Шотки представляет собой обычный интегральный транзистор л-р-л с нелинейной обратной связью, образованной диодом Шотки.- Базовый элемент микросхемы ТТЛШ-логики изображен на рис. 9.7,а,б и отличается от базового элемента ТТЛ-логики (рис.
9.6) наличием транзистора Шотки Т, и резистора й . Эти дополнительные компоненты схемы позволяют исключить «скалыванне» переключательной характеристики, присущее элементу ТТЛ-логики и приводящее к сниженшо помехоустойчивости схемы. «Скалывание» переключательиой характеристики в схеме, изображенной на рис. 9.б, обусповлено тем, что транзистор Т» на участке «скалывания» остается закрытым, хотя управляющий транзистор Тз уже открылся.
Включение транзистора Т«в схеме ТТЛШ-логики позволяет существенно уменьшить ток коллектора транзистора Т на участке «скалывания». При этом напряжение на выходе схемы (рис. 9.7,а) остается практически постоянным до значения У~~ Следует отметить„что дополнительный транзистор 7«используется при разработке микросхем ТТЛ-логики с улучшенной переключательной характеристикой.
Элементы эмиттерно-связанной логики на переключателях тока. Основу базового элемента ЭСЛ-логики составляет переключатель тока (рис. 9.8). На базу транзистора Т, подается информационный входной сигнал, а на базу Т» — опорное напряжение Е,. При наличии на входе сигнала логического нуля транзистор Т, закрыт, а транзистор Тз открыт. Если на вход поступает сигнал логической единицы, то транзистор Т, открывается, а Т, закрывается.
Если параллельно Т, подключить ряд транзи-' сторов, на базы которых поступают информационные сигналы, то при подключении нагрузки к выходу 1 элемент будет выполнять логическую операцию ИЛИ вЂ” НЕ, а при подключении нагрузки к выходу 2 — операцию ИЛИ. Базовый элемент ЭСЛ-логики изображен на рнс. 9.9. Здесь в отличие от обычного переключателя тока на выходах схемы включены эмиттерные повторители. Повторители смещают уровни коллекторных потенциалов транзисторов и обеспечивают тем самым высокую нагрузочную способность базового элемента.
Схемы ЭСЛ характеризуются малым логическим перепадом ЬУ„, =0,65+0,8 В и соответственно малой помехоустойчивостью. Использование в базовом элементе эмиттерных повторителей на транзисторах Т, и Т4 1рис. 9.9) уменьшает выходной импеданс схемы н снижает уровень помех в линиях связи логического устройства, выполненного на схемах ЭСЛ. В практических устройствах на базе схем ЭСЛ-типа обычно заземляют плюсовую шину источника питания. При заземлении плюсовой шины колебания напряжения источника питания' не приводят х изменению логического уровня напряжения на коллекторах транзисторов Т, н Т, соответствующего нулевому потенциалу.
Основным достоинством микросхем ЭСЛ-логики является их высокое быстродействие, обусловленное прежде всего работой транзисторов в активном режиме и уменьшением времени перезаряда емхостных составляющих схемы за счет малого логического перепада. В настоящее время разработаны сверхбыстродействующие микросхемы ЭСЛ-логики с частотой переключения до 500 МГц. Однако следует учитывать, что повышение быстродействия связано с увеличением потребляемой мощности. Интегральная инжекционная логика (И'Л). Схемы Их.Л, появившиеся позднее других интегральных логических элементов, не имеют аналогов среди дискретных транзисторных устройств и являются наиболее перспективной базой для создания сверхбольших интегральных схем (СВИС). Принципиальная схема типового элемента И'Л с источником сигнала и нагрузкой представлена на рис.
9.10. Рассматриваемый интегральный логический элемент состоит из транзистора Т, типа и-р-л и генератора питающего тока, выполненного на транзисторе Т„типа р-и-р. Источником сигнала и нагрузкой являются аналогичные элементы, выполненные на транзисторах Т,' и Т,". Питание всех элементов осуществляется : помощью многоколлектоРного тРанзистоРа Те. РезистоР Е„ является внелщим навесным элементом для ИМС.
Его номинал подбирают в соответствии с требуемым питающим током инжектора 1„: Š— Уе, Š— 0,6В 1„= Е„В« (9.1) Рис. й10 К базе транзистора л-р-л подключен источник тока 1" = 1„а/в„, где о — коэффициент передачи тока транзистора Т„; л„— количество коллекторов у транзистора Те. При анализе схем И»Л обычно считают, что база транзилора Т, либо замкнута на «землю» (если в предыдущем ИЛЭ транзистор Т; насыщен), либо отключена от предыдущего ИЛЭ (если в предыдущем ИЛЭ транзистор Т; заперт). В первом случае транзистор Т, заперт, а ток Р" протекает через транзистор Т,' предыдущего ИЛЭ (1» =1*). Напряжение на входе ИЛЭ (точка А на рис.
9.10) имеет низкий уровень (1«. Величина (1« равна напряжению между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора Т, и составляет единицы — десятки милливольт (столь малое значение (1« характерно для обращенной структуры транзистора Т, (131). Во втором случае (Т,' заперт) ток 1«полностью протекает в базу транзистора Т, и насыщает его (при этом входной ток Рм:н О).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
