Электротехника и электроника (стр. 21 )

Рисунок 2. Электрическая схема, реализующая логическую функцию НЕ

Рассматривая принцип работы схемы на рисунке 2 можно сказать, что при замыкании ключа (действии на входе «единицы») лампа гореть не будет (на выходе будет «ноль») и наоборот. Таблица истинности элемента НЕ и его условное графическое обозначение представлено на рисунке 3.

 

Рисунок 3. Таблица истинности и условное графическое обозначение элемента НЕ.

Аналогично схемотехническая реализация, таблица истинности и условное графическое обозначение элемента И представлено на рисунке 4. Принцип работы такого элемента описывается следующим выражением: «Если первый и второй ключи будут замкнуты (на первый и второй вход подана логическая «единица»), то лампочка загорится (на выходе тоже будет «единица»).

   

       а)        б)        в)

Рисунок 4. Элемент И: а) схемотехническое представление, б) таблица истинности,
в) условное графическое обозначение на принципиальных схемах

Принцип работы логического элемента ИЛИ представлен на рисунке 5

   

       а)        б)        в)

Рисунок 5. Элемент ИЛИ а) схемотехническое представление, б) таблица истинности, в) условное графическое обозначение на схемах

5.2. Схемотехника базовых элементов цифровых устройств

5.2.1. Интегральные логические элементы транзисторно-транзисторной логики

Наиболее распространенными сериями микросхем транзисторно-транзисторной логики являются К155, КМ155, К158, КМ158, К131, КМ131, К133, КМ133 (последние две серии используются преимущественно в военной технике).

В интегральных микросхемах, выполненных по технологии транзисторно-транзисторной логики, в качестве базового элемента используется многоэмиттерный транзистор. Упрощенная схема логического элемента И-НЕ с многоэмиттерным транзистором приведена на рисунке 6. Многоэмиттерный транзистор отличается от обычного транзистора тем, что он имеет несколько эмиттеров, расположенных так, что прямое взаимодействие между ними исключается. Благодаря этому переходы база-эмиттеры многоэмиттерного транзистора можно рассматривать как параллельно включенные диоды.

Второй транзистор VT2 является инвертором сигнала, так как он включен по схеме с общим эмиттером и выполняет функцию НЕ. Потенциал базы VT1 выше потенциала коллектора, поэтому коллекторный переход VT1 открыт. Режим эмиттерного перехода зависит от ситуации на входах элементов.

 

Рисунок 6. Элемент транзисторно-транзисторной логики

Если хотя бы на одном входе присутствует низкий потенциал логического «нуля», то потенциал эмиттера меньше потенциала базы и эмиттерный переход открыт. Таким образом, оба перехода VT1 открыты, и он насыщен. В результате ток базы VT2 равен нулю и на коллекторе транзистора VT2 будет высокий уровень. Для того чтобы напряжение на коллекторе VT2 имело низкий уровень, необходимо на все эмиттеры многоэмиттерного транзистора подать высокий уровень. Благодаря этому алгоритму реализуется функция И-НЕ.

В более поздних сериях интегральных микросхем, выполненных по технологии транзисторно-транзисторной логики, используется сложный инвертор с двуполярным ключом, а для исключения насыщения многоэмиттерного транзистора применяются диоды Шоттки. Такая логика получила название транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки. К такой логике относятся микросхемы серии 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, КМ555, 1533, КР1533.

5.2.2. Интегральные логические элементы эмиттерно-связанной логики

Наиболее распространенными сериями микросхем эмиттерно-связанной логики являются 100, К500, К1500.

В интегральных микросхемах, выполненных по технологии эмиттерно-связанной, в качестве базового элемента используется дифференциальный усилитель. Упрощенная схема логического элемента ИЛИ – НЕ с дифференциальным усилителем приведена на рисунке 7. Большое быстродействие интегральных микросхем эмиттерно-связанной логики обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в насыщенном (линейном) режиме. На выходе элемента используется эмиттерный повторитель, который обеспечивает быстрый заряд емкости нагрузки.

На рисунке 7 дифференциальный усилитель выполнен на транзисторах VT1… VT3, а эмиттерный повторитель на транзисторе VT4. Выходной сигнал можно снимать с инверсионного выхода дифференциального усилителя, как это показано на рисунке 6, что обеспечивает операцию инвертирования НЕ, так и с неинверсного выхода (с коллектора VT6), что обеспечивает выполнение операции ИЛИ без инверсии.

Повышение быстродействия в этих элементах достигается также ограничением перепада выходного напряжения, что связано с уменьшением помехоустойчивости. Для ограничения перепада выходного напряжения используется источники опорного напряжения Eоп и смещения Есм. Основные параметры интегральных микросхем ЭСЛ приведены в таблице 2. Напряжение логической «единицы» составляет – (0,7…0,95) В, а логического «нуля» - (1,5…1,9)В.

 

Рисунок 7 Упрощенная схема логического элемента 2ИЛИ-НЕ (ЭСЛ)

Таблица 1        Основные параметры интегральных микросхем ЭСЛ

Серия ИМС	Потребляемая мощность, мВт	Задержка распространения, нс	Коэффициент разветвления	Напряжение питания
100, 500	35	2,9	15	-5,2
1500	40	0,75	20	-4,5

5.2.3. Интегральные логические элементы КМОП

Наиболее распространенными сериями микросхем КМОП являются 164, 176, 564, К561, 1564, КР1554.

В интегральных микросхемах, выполненных по технологии КМОП, в качестве базового элемента используются ключевые схемы, построенные на комплементарных МОП транзисторах. Слово комплементарных означает, что используется пара транзисторов с одинаковыми характеристиками, но противоположной проводимости. На рисунке 8. представлена схема логического элемента И – НЕ. Эта схема состоит из двух групп ключей на полевых транзисторах VT1, VT4 и VT2, VT3. Каждая группа управляется одним сигналом Х1 или Х2. При подаче сигналов Х1 = Х2 = «1» ключи на транзисторах VT1 и VT2 размыкаются, а ключи на транзисторах VT3 и VT4 замыкаются. В результате на выходе получается инвертированное произведение входных сигналов.

Применение полевых транзисторов с изолированным затвором обеспечивает высокое выходное сопротивление микросхем КМОП. Благодаря малой входной емкости и высокому сопротивлению микросхемы КМОП чувствительны к статическому электричеству. Пробой изоляции под затвором происходит при напряжении около 30В, в результате чего транзистор повреждается. Защита входов интегральных микросхем КМОП осуществляется с помощью встроенных диодов или стабилитронов, подключенных к линиям питания интегральной микросхемы.

Достоинством ИМС КМОП являются малая потребляемая мощность и высокая помехозащищенность в сочетании с высоким быстродействием и высокой нагрузочной способностью. Питание таких микросхем производится от источника напряжения +5… +15 В.

Рисунок 8. Базовый элемент КМОП логики

КМОП элементы наиболее предпочтительны для использования. Кроме того, КМОП элементы по сравнению с ТТЛ имеют следующие преимущества:

малая потребляемая мощность в диапазоне частот до 2 МГц; большой диапазон напряжений питания (3… 15)В; очень высокое входное сопротивление (больше 1МОм); большая нагрузочная способность (коэффициент разветвления больше 50).

К недостаткам элементов КМОП относится:

большие времена задержки (до 100 нс); повышенное выходное сопротивление (до 1 кОм); значительный разброс всех параметров.

Уровни выходных сигналов зависят от напряжения питания. Уровень логической «единицы» равен примерно 0,8 Еп, а уровень логического «нуля» от 0,3 до 2,5 В.

5.3 Общая характеристика цифровых интегральных схем

Каждая серия интегральных микросхем, несмотря на то, что она обычно содержит самые разнообразные цифровые устройства, характеризуется некоторым набором параметров, дающих достаточно подробное представление об этой серии. Рассмотрим наиболее важные из параметров.

1. Коэффициент объединения по входу (Коб) равен числу логических входов элемента. На них поступают логические переменные, над которыми данный элемент осуществляется логическую операцию.

2. Коэффициент разветвления по выходу (Краз) численно равен количеству входов аналогичных элементов, которыми можно нагрузить вход данного элемента. Этот коэффициент характеризует нагрузочную способность элемента и определяется структурой его выходного каскада.

3. Быстродействие (tз) обычно оценивают полусуммой задержек переключения выхода элемента при переключении его входа из состояния логической «единицы» в состояние логического «нуля».