Тема 9. Интегральные логические элементы

 

Элементную базу цифровых устройств ранее составляли дискретные (отдельные) пассивные и активные элементы радиоэлектроники: резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и др. Основу элементной базы современной цифровой техники в основном составляют интегральные микросхемы (ИМС), насчитывающие с настоящее время более 100 различных серий и технологических разновидностей.

До сих пор рассматривались типовые логические элементы И, ИЛИ, НЕ только как функциональные узлы без определения их внутренней структуры и принципиальных схем. Следует отметить, что основу этих логических элементов составляют, как правило, ключевые каскады, которые выполняются на биполярных и полевых многоэмиттерных и многоколлекторных транзисторах, на МОП (МДП) и КМОП (КМДП) структурах с каналами n-типов и p-типов.

Серии логических элементов

Исторически развитие импульсной и цифровой техники прошло несколько этапов, разработка основных типов логики:

1.РТЛ – резисторно-транзисторная логика.

2.ДТЛ – диодно-транзисторная логика.

3.ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика.

4.ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки.

5.ЭЛС – эмиттерно-связанная логика.

6.МОП (МДП) – логика на униполярных транзисторах с каналами проводимости p- и n -типов.

7. КМОП (КМДП) – логика на основе униполярных транзисторов с использованием дополняющих комплементарных транзисторов.

8.И²Л – инжекционная интегральная логика.

Цифровые интегральные микросхемы выпускаются сериями. Внутри каждой серии имеются объединённые по функциональному признаку группы устройств, имеющие единое конструкторско-технологическое исполнение. Основой каждой серии ИМС является базовый логический элемент.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) получила широкое применение в импульсных и цифровых устройствах. Базовый логический элемент ТТЛ состоит из двух частей И и НЕ (рисунок 9.1).

 

Рисунок 9.1 – Базовый элемент ТТЛ

+E

п

R

б

R

К

VT

VTn

“И”

“НЕ”

...

 

 

Реализуемое данной схемой логическое уравнение имеет вид:

Эквивалентная схема каскада выглядит следующим образом:

R

б

R

К

VT

VTn

+E

п

...

 

Широкое распространение получила другая схема, на основании которой была выпущена 155 серия. Эта схема приведена на рис. 9.2.

 

 

Рис. 9.2

+E

п

VTn

VT1

VT2

VT3

R

н

R

VD

 

Данная схема реализует следующее логическое уравнение:

Рассмотрим работу схемы более подробно.

Если на все входы подаётся , то все эмиттерные переходы транзистора VTn закрыты, ток протекает по контуру , резистор , коллекторный переход транзистора VTn, эмиттерный переход транзистора VT1, резистор , эмиттерный переход транзистора VT2, земля. В результате потенциал на выходе равен 0,2, т.е. на выходе - 0.

Подадим на один из входов 0,т.е. закоротим его на землю. Транзисторы VT1 и VT2 в этом случае будут закрыты, транзистор VT3 будет открыт, но не насыщен, а оставшаяся часть схемы является практически эмиттерным повторителем. Предельное значение входного тока будет ограничиваться резистором , который защищает схему от коротких замыканий по входу. Диод VD в состоянии 0 по выходу поддерживает транзистор VT3 закрытым.

Основной недостаток схемы: большое энергопотребление.

Достоинства схемы: один источник питания, большой коэффициент разветвления по входу, достаточно высокое быстродействие (переход из одного состояния в другое происходит за 15-20 нс).

 

Основными характеристиками логических элементов являются: быстродействие, нагрузочная способность (коэффициент разветвления по входу), коэффициент объединения по входу, помехоустойчивость, потребляемая мощность, напряжение питания, уровни логических сигналов.

Быстродействие характеризует среднее время задержки распространения сигнала через логический элемент.

Здесь и - время задержки перехода из 0 в 1 и из 1 в 0 соответственно. Данные параметры отражены на рис. 9.3.

Рис. 9.3

Нагрузочная способность показывает, на сколько логических входов может быть нагружен выход данного элемента без нарушения его работоспособности.

Коэффициент объединения по входу определяет максимальное число входов логического элемента. Увеличение числа входов расширяет функциональные возможности, однако при этом ухудшается быстродействие и помехоустойчивость.

Потребляемая мощность определяется следующим образом:

здесь и - мощности, потребляемые логическим элементом в открытом и закрытом состояниях соответственно.

Напряжение источника питания в разных схемах разное (1В; 3В; 5В).

Уровни логических сигналов для ТТЛ имеют следующие величины: