Исследование возможностей и способов реализации современных троичных цифровых элементов (стр. 3 )

Однако и “чисто” троичные элементы можно интерпретировать как парные. Пара двоичных элементов отчетливо просматривается в элементе первого типа с ключами (Рис.1а). Это особенно заметно, когда урезание достигается удалением К-1 и упрощением К0. Троичный элемент второго типа (Рис.1б) также можно считать состоящим из двух комплементарных двоичных элементов.

Троичные элементы на основе двоичных элементов третьего типа могут быть только “парными”. Это связано с тем, что обусловленный признак дискретности у элементов третьего типа (открытость и закрытость транзисторов) имеет сугубо двоичный характер.

Завершая рассмотрение троичных цифровых элементов на функциональном уровне, коснемся вопроса об их входных характеристиках. Существует мнение (см. сб. "Вычисл. техника...", Вып.7, стр.5), что симметричные троичные элементы представляют собой уникальный пример того, как  при увеличении числа дискретных состояний допуски на входные сигналы не делаются более жесткими. Этот вывод основывается на том, что кроме двоичных положительного и нулевого входных сигналов, в троичном случае дополнительно используются отрицательный. Поскольку абсолютная величина допуска при этом сохраняется, такое мнение, на первый взгляд, представляется справедливым. На самом деле, более корректно считать, что сопоставимый двоичный элемент должен использовать не нулевой и положительный сигналы, а отрицательный и положительный (поскольку теперь схемотехника это допускает). Очевидно, что такой “двухполярный” двоичный элемент, с которым и следует теперь сравнивать троичный, имеет, вообще говоря, менее жесткий допуск на различимость двоичных дискретных сигналов чем “однополярный”.

Критерии оценки разработанных троичных элементов

Можно предложить два критерия:

Сравнение разработанного (нового) троичного элемента с “парным” элементом, выполненным на основе двух двоичных (старым). Если новый элемент уступает старому, целесообразность его использования сомнительна.

Сравнение устройства выходной цепи и ее электрических характеристик нового троичного элемента с аналогичными характеристиками двоичного элемента-прототипа. Если в этом отношении он уступает прототипу, дальнейшая работа теряет смысл.

Реализация троичных цифровых элементов на ИС

В последующих разделах будут рассматриваться возможная реализация троичных цифровых элементов на базе существующих распространенных интегральных технологий.

Троичные элементы на биполярных транзисторах

В современной двоичной цифровой интегральной схемотехнике на основе биполярных транзисторов реализуются устройства типа TTL, ECL и I2L. Элементы TTL типа являются представителями элементов первой группы, элементы ECL относятся ко второй группе, а элементы I2L - к третьей. Для TTL и ECL элементов характерен запрет на использование в одной ИС комплементарных транзисторов. Такое ограничение является технологическим, но достаточно сильным. Например, в TTL элементах по этой причине ключевой узел, привязывающий выход элемента к высокому уровню, реализуется существенно более сложным способом по сравнению с простым ключевым транзистором, осуществляющим привязку к низкому уровню. Имей разработчик возможность свободно использовать комплементарные транзисторы, TTL элемент был бы заметно проще - он сделался бы аналогичен элементу на CMOS-транзисторах. У ECL элементов запрет на использование в одной ИС комплементарных транзисторов также имеет место. В I2L-элементах используются биполярные транзисторы с разным типом проводимости. Однако они могут соединяться друг с другом единственным способом (более подробно об этом будет сказано ниже).

Повторим то, о чем уже неоднократно говорилось. Гипотетический троичный логический элемент, предназначенный для создания устройств, работающих в симметричной троичной системе счисления, по своей природе должен отражать симметрию  на физическом уровне. Комплементарные транзисторы и являются этим уровнем. Таким образом, разработчику троичного элемента не остается ничего другого, как считать, что технологический запрет на их использование в одной ИС преодолен.

Троичные TTL элементы

На Рис.2 изображена выходная цепь двоичного TTL элемента на комплементарных транзисторах. Нетрудно видеть, что показанная схема существенно проще выходной цепи “канонического” TTL элемента (предполагается, что читатель знаком с его устройством), где вместо верхнего ключа используется эмиттерный повторитель с кучей резисторов и дополнительный каскад - расщепитель фазы.

Выходная цепь двоичного TTL элемента на комплементарных транзисторах

Рис.2

Перед тем, как перейти к обсуждению того, какой может быть выходная цепь троичного TTL элемента, рассмотрим широко используемую в двоичной практике схему с открытым коллектором. Такой узел обычно применяют для организации работы нескольких передатчиков на общую шину. Фиксация выхода на нулевом уровне выполняется ключевым транзистором, а на положительном - резистором, располагаемым вне ИС. Схему можно модифицировать в троичную, поменяв местами резистор с ключом, и добавив ключ, фиксирующий выход на отрицательном уровне. Кроме того, потребуется создать во входной цепи при помощи стабилитронов пороги для троичного сигнала так, чтобы открывание транзисторов КЛ1 и КЛ-1 не происходило при близком к нулю напряжении на входе. Реализующая это схема изображена на рис 3а.

Выходная цепь троичного TTL элемента с резистором

Рис.3а

В интегральном исполнении потребуется также модифицировать входную цепь, защиту на входах и предотвратить ситуацию, когда открыты оба ключа. Существенный недостаток схемы с фиксирующим резистором тот же, что и в двоичном варианте: для полноценной фиксации требуется иметь малое сопротивление, через которое, однако, будут протекать большой ток (и, соответственно, рассеиваться значительная мощность) при ненулевых уровнях на выходе. Вариант троичной выходной цепи, лишенный этого недостатка, показан на Рис. 3б.

Выходная цепь троичного TTL элемента с ключом

Рис.3а

В нем вместо фиксирующего резистора используется двухтранзисторный комплементарный ключ КЛ0, обеспечивающий быструю перезарядку паразитного входного конденсатора током любого направления. Диоды в эмиттерных цепях транзисторов ключа КЛ0 предотвращают шунтирование выхода элемента открытыми коллекторными переходами этих транзисторов как положительном, так и при отрицательном значении выходном сигнале.

Схема содержит много дополнительных деталей (стабилитроны, диоды, резисторы). При этом возможность использования комплементарных транзисторов ее не упрощает. Такая выходная цепь сложнее аналогичной цепи парного троичного элемента. Ее использование как основы для создания “непарного” троичного элемента вряд ли оправдано.

Троичные ECL элементы

Двоичный ECL элемент – прототип троичного изображен на Рис.4. Токозадающий элемент показан двумя пересекающимися кружочками.

Двоичный ECL элемент

Рис.4

В отличие от обычно изображаемой схемы ECL-элемента ( “Популярные цифровые микросхемы”, 1989г., стр. 286), здесь нагрузочные резисторы переключателя тока - основы ECL элемента - перенесены из коллекторной цепи элемента во входную цепь следующего. Туда же перенесены эмиттерные повторители. Дело в том, что в упомянутом описании содержится ряд ошибочных утверждений относительно величины выходного сопротивления ECL-элемента и способов его снижения. На самом деле коллекторное сопротивление транзистора, работающего в активном режиме, велико и снижать его не требуется, поскольку токовый элемент и должен иметь высокоомный выход. В то же время сопротивление резисторов в коллекторных цепях мало и их логично поместить во входную цепь следующего элемента, поскольку она у элементов второго типа низкоомная. Истинная же роль эмиттерных повторителей состоит не в том, чтобы снизить выходное сопротивление. Они предназначены для “опускания” выходного сигнала, формируемого на резисторе, чтобы он мог управлять следующим каскадом.

Если разрешить использование комплементарных транзисторов, то троичный ECL элемент получается добавлением второго “зеркального” переключателя тока, как это показано на Рис.5а. Схема представляет собой практическую реализацию элемента второго типа, показанного на Рис.1б.

Троичный ECL элемент

Рис.5а

Отметим, что нагрузочный резистор Rнаг является общим для верхнего и нижнего переключателей, а формируемый на нем троичный сигнал - двухполярным. Однако коллекторы сдвигающих эмиттерных повторителей в этом случае нельзя подключать к земле - они будут шунтировать троичный сигнал. Их следует подсоединять соответственно к уровням +E и - E.

Как уже говорилось, для элементов второго типа амплитуда входного сигнала может иметь значительный разброс. Это обстоятельство позволяет довольно просто реализовать во входных цепях ECL элементов пороговые характеристики, причем можно “играть” с токовыми сигналами различного направления. На Рис.5в показан вариант нагрузки троичного элемента, где параллельно резистору встречно включены два диода.

Нелинейная нагрузка ECL элемента, с пороговыми характеристиками

Рис.5в

Вольтамперная характеристика такой цепочки симметрична относительно нулей тока и напряжения и отличается малой зависимостью напряжения (прямое падение на диодах) от протекающего тока. Таким образом, состояние пары переключателей, образующих троичный элемент (закрытость или открытость соответствующих транзисторов), будет зависеть от значения алгебраической суммы вытекающих и втекающих во входную цепь токов. Если она равна 0 - оба левых транзистора переключателей тока открыты, если положительна - закрыт нижний, если отрицательна - верхний.  Таким образом, троичный 0 в данной схеме представлен “активно” - втекающим и вытекающим токами, которые предполагаются равными. С точки зрения повышения помехоустойчивости предпочтительнее представлять троичный 0 отсутствием токов. Для этого на Рис.5б выходной сигнал снимается не с коллекторов двух левых транзисторов, а с коллекторов правых. В этом случае троичный 0 является “пассивным”.