Реферат: Логические элементы

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АНГАРСКАЯГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНИЧЕСКОЙКИБЕРНЕТИКИ

КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙЭЛЕКТРОНИКИ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

 

РЕФЕРАТ

  по курсу: Импульснаятехника

 тема:     Логическиеэлементы


              

   


Выполнил                                       

                                       Студент гр. ПЭ-98-1          

ФИРСОВ Д.В.                                                    

                                  

                                                                                               

                                                                                                                                            

Приняла:                                          

КУРЧЕНКОО.А.                                         

Должность:ст преподаватель        

Подпись:____________                               

Оценка:                                                         

                                                                                                         

                                                                                                                                                                    

Ангарск 2001 г.

Содержание

Введение… 2

Параметры логических интегральных микросхем… 3

Диодно-транзисторная логика… 3

Транзисторно-транзисторные логические элементы… 4

Базовые логические элементы эмиторно-связной логики… 8

Принцип действия и функциональные возможности БЛЭ ЭСЛ. 10

СХЕМОТЕХНИКА БЛЭ КМОП-ТИПА… 11

БЛЭ Интегрально-инжекционной логики… 13

Список используемой литературы… 15

/>Введение

В большинстве современных ЭВМ ицифровых устройствах различного назначения обработка информации происходит спомощью двоичного кода, когда информационные сигналы могут принимать только двазначения: 1 и 0. Операции по обработке двоичной информации выполняют логическиеэлементы.

Используя набор логическихэлементов, выполняющие элементарные логические операции И, ИЛИ, НЕ, можнореализовать в двоичном коде любую сложную логическую функцию.

/>/>Параметры логических интегральных микросхем

1       Входное U1вх и выходное U1вых напряжение логической единицы –значение высокого уровня напряжения на входе и выходе микросхемы;

2       Входное U0вх и выходное U0вых напряжение логического нуля –значение низкого уровня напряжения на входе и выходе микросхемы;

3       Входной I1вх и выходной I1вых токи логической единицы, входной I0вх и выходной I0выхтоки логического нуля;

4       Логический период сигнала />,пороговое напряжение Uпор вх – напряжение навходе, при котором состояние микросхемы изменяется на противоположное;

5       Входное сопротивление логической  ИМС – отношение приращениявходного напряжения к приращению входного тока (различают R0вхи R1вх), выходное сопротивление –отношение приращения выходного напряжения к приращения выходного тока(различают R0вых и R1вых);

6       Статическая помехоустойчивость – максимально допустимое напряжениестатической помехи по высокому U1поми низкому U0пом уровням входногонапряжения, при котором еще не происходят изменения уровня выходного напряжениямикросхемы;

7       Средне потребляемая мощность Pпотр ср= (P0потр + Р1потр)/2, где P0потр и Р1потр– мощности, потребляемые микросхемой в состоянии соответственно логическогонуля и единицы на выходе;

8       Коэффициент объединения по входу Коб, показывающий, какоечисло аналогичных логических ИМС можно подключить к входу данной схемы, иопределяющий максимальное число входов логической ИМС;

Коэффициент разветвления  по входу Кразв,показывающий какое количество аналогичных нагрузочных микросхем можноподключить к выходу данной ИМС, и характеризующий нагрузочную способностьлогической ИМС.

Диодно-транзисторная логика

/>Одним изпервых семейств цифровой логики мы рассмотрим диодно-транзисторную логику.Основная схема ДТЛ приведена в соответствии с рисунком 1а. Если отбросит частьсхемы, изображенную пунктиром, схема превращается в инвертор, и по ней можнопостроить передаточную характеристику Ux от Ua. Если напряжение на входе А равно 0, то диод VD1 смещен в прямом направлении и напряжение U1 равно +0,6 В. Эта величина недостаточна дляоткрывания диодов VD2 и VD3и перехода база-эмиттер транзистора VТ1.Поэтому ток i1 течет через диод VD1, источник напряжения Uaи на землю. Транзистор VТ1 закрыт, при этом Ux = +5 В. Если Uaувеличивается, то U1 также растет до техпор, пор пока не достигнет 1,2 В. При этом U1= 1,8 В. В этот момент VD2, VD2, VТ1открываются и ток i1 течет через транзистор VТ1 и переводит его в насыщение. Дальнейшееувеличение напряжение Ua запирает диод VD1. но не может повлиять на величину U1 или состояние транзистора  VТ1.Это относительно резкое изменение величины напряжение Uxот +0,5 В до величены на насыщенном транзисторе Uкэнас приведено, в соответствии с рисунком 1б. Из графика видно, чтоинтервалы напряжений, соответствующие логическим состояниям 0 и 1, примерноравны

0≤U0≤1.2 B

1.5≤U1≤5 В

Практически U0обычно меньше 0,4 В, а U1 очень близко к 5В, что обеспечивает хороший шумовой запас по постоянному току.

Если на вход подано напряжение,соответствующее логической 1, то диод VD1смещен в обратном направлении и, следовательно, потребляет минимальную мощностьс выхода предыдущей схемы. Однако если на входе поддерживается напряжениелогического 0, то ток i1 должен течь извходной клеммы элемента через насыщенный транзистор на землю. Это соответствуетодной единичной нагрузке. Если к одному выходу подсоединено nвходов, то насыщенный транзистор должен пропускать ток, в  nраз больше чем i1. Если nувеличивается, то будет расти и напряжение Ua,что эквивалентно увеличению напряжения выходного транзистора. Этот эффектприведен в соответствии с рисунком 1б, где передаточная характеристикаизображена для случая одной выходной единичной нагрузки и для случая восьмиединичных нагрузок (максимально допустимое количество для базового элементаДТЛ).

Если к схеме, в соответствии срисунком 1а, добавить второй диод для получения входа Ub,то напряжение Ux будет соответствоватьлогической 1, если хотя бы один из входов будет в состоянии логического нуля.Логический нуль на выходе можно получить только в том случае, если на обоихвходах присутствует напряжение логической единице, т.е. логическая операциявыполняемая данной схемой имеет вид:

Х= />

Что соответствует операции НЕ-И. Добавлениемдополнительных диодов для расширения объема входа число входов в базовомэлементе ДТЛ НЕ-И может доведено до 20.

Если выходы двух (и более) ДТЛэлементов НЕ-И соединены вместе, результирующая схема осуществляет операцию Ина выходов элементов НЕ-И. Из схемы видно, что если хотя бы на одном из двухвыходов присутствует напряжение логического нуля, то общий выход находится всостоянии логического нуля. Если оба выхода элемента НЕ-И в состояниилогической 1, то на выходе – тоже логическая единица. Такое соединениеназывается проводным И. Выходная нагрузочная способность такой схемы должнабыть уменьшена на одну единичную нагрузку для каждого дополнительного выходапроводном соединении, так как следует учитывать возможность шунтирования общеговыхода коллекторными сопротивлениями транзисторов, выходные напряжения которыхсоответствуют логической единицы.

Задержка передачи для типичногоэлемента ДТЛ составляет 30 нс. Это сравнительно большая величена, во многихслучаях оказывается вполне приемлемой.

Семейство диодно-транзисторнойлогики содержит элементы И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Это семействоудобно для конструктора, так как имеет большой набор различных элементов.Большинство схем содержит несколько незадействованных входных клемм, которыерекомендуется соединять с положительным полюсом источника питания илизаземлять. Это увеличивает помехозащищенность и уменьшает время задержкипередачи.

/>Транзисторно-транзисторныелогические элементы

Простейший базовый элемент ТТЛ, в соответствии срисунком 2а, за счет использования многоэмиттерного транзистора, объединяющего свойства диода и транзисторного усилителя, позволяет увеличить быстродействие,снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовлениямикросхемы.

Базовый элемент ТТЛ также выполняет логическую операцию И-НЕ. При низком уровне сигнала (логический 0)хотя бы на одном из выходов многоэмиттерного транзистора VT1последний находится в состоянии насыщения, а VT2закрыт. На выходе схемы существует высокий уровень напряжения (логическаяединица). При высоком уровне сигнала на всех входах VT1работает в активном инверсном режиме, а VT2находится в состоянии насыщения. Описанный здесь базовые элемент ТТЛ, несмотряна прощеную технологию изготовления, не нашел широкого применения из-за низкойпомехоустойчивости, малой нагрузочной способностью и малого быстродействия приработе на емкостную нагрузку. Его целесообразно использовать лишь при разработкемикросхем с открытым коллектором, в соответствии с рисунком 2б, для включениявнешних элементов индикации, когда не требуется высокая помехоустойчивость ибольшая нагрузочная способность.

/>Улучшеннымипараметрами по сравнения с предыдущей схемой обладает базовый элемент ТТЛ, всоответствии с рисунком 3. Однако объединение выходов в схеме не допустимо.

/>

В статических режимах работысхемы, в соответствии с рисунком 3, VT4повторяет состояние VT2. При запирании VT2 база транзистора VT4через резистор R3 подключается к “земле”,чем и обеспечивается закрытое состояние VT4.

Если VT2насыщен, то через базуVT4 протекает ток:

Iб4 = Iэ2 – IR3 = [(Eк — Uкэн2 – Uбэ4)/a2·R2]– (Uбэ4/R3)

Для транзисторов, выполненных поинтегральной технологии, обычно принимают Uкэн =0,2 В, Uбэ = 0,8 В.

Для обеспечения режима насыщения VT4 при закрытых транзисторе VT3и диоде VD необходимо выполнить условие:

Iб4·В4 ≥ Iкн= n·I0вх нагр

Где: n –число нагрузочных ТТЛ-схем, подключенных к выходу рассматриваемой схемы;

        I0вхнагр – входной ток нагрузочной ТТЛ-схемы.

Положив в данное выражение знакравенства, можно определить нагрузочную способность данной схемы, т.е.максимальное число нагрузочных схем, при котором транзистор VT4еще работает в режиме насыщения:

nmaz = Iб4·В4/ I0вх нагр

Состояние VT3 в статических режимах работы схемы, в соответствии с рисунком 3, всегдапротивоположно состояниюVT4, аследовательно, VT2. При насыщенном VT4 транзистор VT3закрыт. Диод VD повышает порог отпирания VT3, обеспечивая его закрытое состояние принасыщенном транзисторе VT4. Действительно:

Uбэ3 = Uкэн2 + Uбэ4 – Uкэн4 – Uд ≈ Uбэ4 — Uд < Uпор3

Так как типичны значения: Uбэ4 = 0,8 В; Uд= 0,7В; Uпор = 0,6В.

Помехоустойчивость ТТЛ-схем повысокому и низкому уровням входного напряжения различны, т.е. U0пом≠ U1пом.

ТТЛ-схема более чувствительна кпомехе U0пом, котораянакладывается на сигнал U0вх ивызывает ложное переключение схемы (U0пом< U1пом). Схема, всоответствии с рисунком 3, считается подключенной, если под действием помехи U0пом открываются транзисторы VT2 и VT4, дляотпирания которых требуется двойное пороговое напряжение Uпор2+Uпор4 ≈ 2·Uпор.Тогда условие сохранения первоначального состояния схемы при действии помехиможно записать как:

U0вх + U0пом+ Uкэн1 ≤ 2Uпор

Откуда найдем:

U0пом ≤ 2Uпор — U0вх — Uкэн1

Приняв U0вх= 0,2 В; Uпор = 0,6 В; Uкэн= 0,2 В, получим U0пом ≤0,6 В

При определении U1помсхема считаются переключенной, если открывается закрытый переход база – эмиттермногоэмиттерного транзистора VT1. В режимелогическое единицы  на входе потенциал базы транзистора VT1относительно “земли” равен сумме напряжений на открытых переходахбаза-коллектор VT1 и база-эмиттер VT2 и VT4, т.е.Uб1 = Uбк1+ Uбэ2 + Uбэ4= 2,14 В. Тогда напряжение на закрытом переходе база-эмиттер VT1:Uбэ1 = Uб1– U1вх. Принимая U1вх = 3,6 В, будем иметь Uбэ1 = -1,2 В.

Напряжение помехи, при которомтранзистор VT1 можно считать открытым, U1пом = Uбэ1– Uпор = -1,2 –0,6 = -1,8 В.

Помехоустойчивость ТТЛ-схемы сосложным инвертором по логическому нулю выше, а по логической единице, чемТТЛ-схемы, в соответствии с рисунком 2а.

Быстродействие ТТЛ-схемопределяется в основном переходными процессами при переключении транзисторов, атакже зарядом паразитной нагрузочной емкости Сн, котораяпредставляет собой суммарную емкость нагрузочных ТТЛ-схем. В схеме, всоответствии с рисунком 2а, заряд емкости Сн происходит с большойпостоянной времени через коллекторный резистор R2,что ухудшает быстродействие схемы.

В ТТЛ-схеме со сложным инверторомпостоянная заряда нагрузочной емкости существенно уменьшается, так как емкостьСн заряжается через выходное сопротивление Rвых3 << R2 транзистора VT3, работающего в схеме эмиттерного повторителя.За счет этого ТТЛ-схема со сложным инвертором имеет большее быстродействие посравнению с ТТЛ-схемой, в соответствии с рисунком 2а.

Схема базового элемента сосложным инвертором лежит в основе разработок большинства серий интегральныхмикросхем ТТЛ. Для расширения функциональных возможностей элемента промышленностьювыпускают так называемые расширители по ИЛИ, в соответствии с рисунком 4а,которые представляют собой часть структуры ТТЛ и подключаются к точкам а и бэлемента, в соответствии с рисунком 2. Полученная при этом логическая схема, всоответствии с рисунком 4б, реализует функцию И-ИЛИ-НЕ. На выходе схемыустанавливается логический нуль, если на всех выходах VT1поступают сигналы, соответствующие логической единице. При всех остальныхкомбинациях сигналов на выходах схемы выходное напряжение соответствуетлогической единице.

Повысить быстродействие ТТЛ-схемможно, применив в схеме базового элемента, в соответствии с рисунком 3, вместообычных транзисторов транзисторы Шотки, работающие  в активном режиме. Темсамым сокращается время переключения транзисторов схемы за счет исключениявремени рассасывания носителей заряда в базе транзистора при их запирании.Логические ИМС, выполненные  на базе транзисторов Шотки, называютсямикросхемами ТТЛШ.

Недостатком ТТЛ-схем являетсясильная генерация токовых помех по цепи  питания, обусловленных броском токачерез сложный инвертор при переключении схемы из состояния логического нуля вединицу. После запирания VT2 транзистор VT3 откроется раньше, чем закроется насыщенныйтранзистор VT4, так как для выхода VT4 из режима насыщения потребуется некотороевремя для рассасывания неосновных носителей в базе. В результате в течениинекоторого промежутка времени оба транзистора VT3и VT4 открыты и по цепи, состоящей изэлементов Ек, VT3, VD и VT4, протекает ток,значение которого определяется эмитторным током VT3,находящегося в активном режиме:

Iпом max = Iэ3 = Iб3 · В +Iб3 = Iб3 (В+1)

Так как базовый ток транзистор равен:

/>

То:

/>Iпом max= />

Для устранения влияния токовыхпомех, генерируемых данной микросхемой, на работу соседних микросхемрекомендуется включать высокочастотные блокировочные конденсаторы между шинойпитания и землей.

Элемент И – НЕ с открытымколлектором предназначен для согласования логических схем с внешнимиисполнительными и индикаторными устройствами, например светодиоднымииндикаторами, лампочки накаливания, обмотки реле и т.д. Его отличие от ранеерассмотренного заключается в выполнении выходного усилителя мощности пооднотактной схеме без собственного резистора. Принципиальная электрическаясхема такого элемента приведена в соответствии с рисунком 5.

В данном элементе такжеотсутствует цепь нелинейной коррекции. Это связано с тем, что элемент ставитсяна выходе логического устройства и к нему в меньшей степени предъявляютсятребования квантования сигнала. Обычно выходной транзистор VT3схемы выполняется с большими допустимыми значениями коллекторного тока инапряжением, чем обычный элемент.

/>

В отличии от стандартных,элементы ТТЛ с открытым коллектором допускают параллельное включение выходныхвыводов. При этом относительно выходных сигналов каждого элемента реализуетсялогическая операция И: Uвых = Uвых 1Uвых 2… Uвых n

Это позволяет решить две задачи:

1.    Упроститьсхему проектируемого устройства за счет исключения дополнительных элементов,реализующих операцию И;

2.    Обеспечитьработу нескольких выходов на общую шину, т.е. реализовать режим работы сразделением информации по времени.

/>Базовые логическиеэлементы эмиторно-связной логики

Причиной появления БЛЭ ЭСЛ явилось желание повысить быстродействиецифровых устройств. Это желание привело к использованию в них совершенноотличного от ТТЛ схемотехнического решения. Как было показано выше, основнымипричинами инерционности ключей, выполненных на биполярных транзисторах,являются время рассасывания неосновных носителей из его базовой области ипостоянная времени перезарядки выходной емкости. Если время рассасываниятранзистора при работе последнего в активной области может быть полностьюисключено, то от влияния постоянной времени перезаряда выходной емкоститранзистора полностью избавиться не представляется возможным. Это влияние можнолишь уменьшить путем увеличения коллекторного тока транзистора, как это былосделано в БЛЭ ТТЛ  серии 513. При неизменном постоянном токе перезарядкавыходной емкости транзистора, длительность его перехода из состояния,классифицируемого как логического 0, в состояние, классифицируемого каклогической 1 и обратно может быть уменьшено только за счет уменьшениялогического перепада. Такое решение позволяет повысить быстродействие. Однакодается оно за счет снижения помехоустойчивости БЛЭ, что требует создания схемпри прочих равных условиях менее подверженных действию помех. Этот принцип ииспользован при построении БЛЭ ЭСЛ.

Основой БЛЭ ЭСЛ является токовыйключ, выполненный на двух транзисторах, в соответствии с рисунком 6. На базуодного из них, например VT2, поданонекоторое постоянное опорное напряжение Uоп.Изменение напряжения подаваемого на вход х0ниже или выше Uоп приводит к перераспределению постоянного тока Iэ, заданного токостабилизирующим резистором Rэ, между транзисторами VT1и VT2. При этом транзисторы не попадают врежим насыщения и, следовательно, в ключе принципиально отсутствует интервалрассасывания их неосновных носителей. Таким образом, особенностью БЛЭ ЭСЛявляется постоянство потребляемого тока независимо от выходного сигнала ключа.

Эта особенность выгодно отличаетБЛЭ ЭСЛ от БЛЭ ТТЛ, в котором момент переключения ток, потребляемый элементом,резко возрастет, создавая внутренние помехи, ухудшающие помехозащищенностьцифрового устройства.

/>Не труднозаметить, что общей шиной является шина +Uп,в результате чего потенциалы точек схемы отрицательны относительно общей шины.Однако в схеме токового ключа так же, как и в схемах ТТЛ, реализован принципположительной логики, при котором большему выходному напряжению соответствуетсигнал логической 1, а меньшему – сигнал логического 0.

Быстродействие такого ключавесьма велико, так как, во-первых, транзисторы принципиально не заходят вобласть насыщения, и, во-вторых, мал логический перепад напряжений междузначениями логического нуля и логической единицы. Последнее реализовано выбороммалых сопротивлений резисторов Rк1 и Rк2 схемы, что крайне полезно с точки зренияуменьшения постоянной времени перезаряда выходной емкости транзистора.

С токового ключа снимаютсяодновременно два сигнала – прямой и инверсный, связанные с сигналом х0на входе схемы соотношениями:

y1 = x0

y0= />

Следует отметить, что схемотехнически токовый ключ, всоответствии с рисунком 6, повторяет схему дифференциального усилителяпостоянного тока.

Выходное напряжение, снимаемое свыходов y1 и у0всегда больше Uоп,так как транзисторы VT1 и VT2всегда работают в ненасыщенном режиме. Поэтому непосредственноепоследовательное включение нескольких таких ключей невозможно. Для этогонеобходим согласующий каскад. В качестве такого согласующего каскада используютсясхемы эммитерных повторителей включенных между выходами токового ключа ивыходами элемента.

Полная схема БЛЭ, выполненного наоснове токового ключа, приведена в соответствии с рисунком 7. Базовый элементполучен путем замены входного транзистора VT1токового ключа группой параллельно включе6нных транзисторов VT1– VTn.

/>

Функционально схему БЛЭ можно разбить на три узла:

1.     Токовый ключ на транзисторах VT1 – VTn+1 и резисторе Rn+2;

2.     Источник эталонного напряжения, включающий параметрический стабилизаторна элементах Rn+4, VD1,VD2, Rn+5и эммиторный повторитель на VTn+2 и Rn+3;

3.     Выходные эммиторные повторители на транзисторах VTn+3и VTn+4.

Цепь нагрузок транзисторов VTn+3 и VTn+4вынесена из ИС БЛЭ, что способствует снижению рассеиваемой в ней мощности ирасширению функциональных возможностей.

Диоды VD1,VD2 в задающей цепи источника эталонногонапряжения служат для термокомпенсации напряжения Uоп.

/>Принцип действия ифункциональные возможности БЛЭ ЭСЛ.

Предположим, что на все входысхемы, в соответствии с рисунком 7, х0, ..., хn-1подано напряжение, близкое к –Uп.Тогда транзисторы VT1 — VTnбудут заперты. Весь ток резистора Rn+2протекает через транзистор VTn+1,к выводу базы которого приложено напряжение Uоп.Этот транзистор поддерживается в активном режиме работы за счет действияглубокой последовательной отрицательной обратной связи по току. Если неучитывать обратные токи коллекторных переходов транзисторов VT1 — VTn, через резистор Rnпротекает только базовый ток транзистора VTn+3выходного эммиторного повторителя. Следовательно, напряжение на выходе близко кнулевому

Uy2= -Iб VTn+3 ·Rn – Uбэ VTn+3

Численно напряжение Uy2 примерно равно –0,9 В.

Через резистор Rn+1кроме базового тока транзистора VTn+4протекает ток Iк VTn+1,примерно равный Iэ. Эти токи создают нарезисторе Rn+1 падениенапряжения, равное:

URn+1 = (Iкn+1 + Iб n+4)Rn+1= [(Iэ·h21э)/(h21э + 1)+ Iб n+4] ≈ Iэ · Rn+1

Это напряжение преобразуетсявыходным эммиторным повторителем на транзисторе VTn+4в выходное напряжение Uy1,определяемое выражением:

Uy1 ≈ -UбэVTn+4 – IЭ· Rn+1

Численно напряжение Uy1 примерно равно –1,7 В.

Если хотя бы на один из входовсхемы х0, ..., хn-1 поданонапряжение, превышающее по уровню Uоп (-1,3В), соответствующий транзистор VT перейдет в активныйрежим работы. Его ток будет равен току Iэ,что приведет к смене уровней выходного напряжения:

Uy2 ≈ -UбэVTn+3 – IЭ· Rn

Uy1 = -Iб VTn+4 · Rn+1– Uбэ VTn+4

Из сказанного следует, чторассмотренная схема реализует по входу y2операцию ИЛИ-НЕ, а по выходу у1 – операцию ИЛИ

у1= (х0+ х1 +… + хn-1)

у1= />

Резисторы R0– Rn-1, включенные между базамитранзисторов VT1 – VTnи выходом –Un, обеспечивает запертоесостояние этих транзисторов при отсутствии входного сигнала. Это позволяет небеспокоиться о подключении неиспользуемых входов ИС выводом источника питания.

Особенностью схемотехническогопостроения элементов ЭСЛ является использования для подключения общей шинысобственно такого переключателя и выходных эммиторных повторителей различныхвыводов ИС. Потребляемый ток, протекающий в этих цепях, имеет качественноразличный характер. Как было отмечено ранее, в принципе работы токового ключазаложено потребление принципиально постоянного тока, так как его работа связанас перераспределением тока эммиторного резистор Rэ. Эммитерные жеповторители потребляют импульсный ток. К тому же для улучшения частотныхсвойств сопротивления резисторов, подключаемых к выводам U1и U2 ИС, выбираются весьма малыми (Rвнешн = 75… 100 Ом). Поэтому совместноепитание этих цепей из-за малой величены логического перепада может приводить кложному срабатыванию соседних элементов, т.е. появлению сбоев при обработкеинформации (внутренних помех). Разделение цепей питания позволяет устранитьэтот недостаток.

Раздельное питание токовых ключейи выходных эммиторных повторителей позволяет дополнительно решать задачуснижения мощности, рассеиваемой в реальной аппаратуре. Так как выходноенапряжение элемента лежит  диапазоне –0,9… – 1,7 В, то для питания внешнихрезисторов может быть использовано напряжение, не превышающее 2 В. Такоерешение при малых сопротивлениях Rвнешнпозволяет значительно уменьшить бесполезные потери мощности.

Рассмотренные функциональныевозможности БЛЭ ЭСЛ простыми схемотехническими приемами могут быть существеннорасширены. Для этого, как правило, используется два приема:

1.    Совместноевключение выходов нескольких элементов на общую нагрузку;

2.    Многоярусноевключение переключателей тока.

Первый прием использует свойство эммиторных повторителейподдерживать высокий уровень выходного напряжения, если хотя бы один изпараллельно соединенных транзисторов включен.

Второй прием базируется напоследовательном (многоярусном) включении токовых переключателей, что позволяетреализовать более сложные логические функции.

/>СХЕМОТЕХНИКА БЛЭКМОП-ТИПА

Увеличение быстродействия ИС МДП требует увеличения токовперезаряда емкостей нагрузки. Однако это, как было показано ра­нее,ограничивается ростом потребляемой мощности и увеличе­нием нестабильностивыходных логических уровней. Преодолеть указанное противоречие можно либотехнологическим путем, соз­давая транзисторы с меньшей входной емкостью, либосхемотехни­ческим путем, применяя схему ключа на транзисторах с каналами различноготипа (комплементарные транзисторы). Эти ключи, с одной стороны, позволяют значи­тельноувеличить токи перезаряда емкости нагрузки, а с другой,— максимально уменьшитьмощность, рассеиваемую в элементе. Напомним, что ключ на комплементарныхтранзисторах при правильном выборе параметров входящих в него элементов встатическом режиме работы практически не потреб­ляет мощность от источникапитания.

Потребляемая элементом мощность встатическом режиме тож­дественно равна мощности, отдаваемой им в нагрузку. Атак как нагрузкой элемента являются входные цепи аналогичных элемен­тов,носящие чисто емкостный характер, то мощность, отбираемая от источника питания,расходуется только в динамическом ре­жиме на перезаряд этой емкости, т. е.имеет минимально возможное значение.

В соответствии с рисунком 8, приведена принципиальнаяэлектрическая схема и в соответствии с рисунком 9, срез топологиитранзисторного ключа, используемого в ИС КМОП.

Она может быть разбита на тричасти: входной диодно-резисторный ограничитель напряжения; собственно ключ наКМОП-транзнсторах; выходная диодная цепь.

/>

Входное сопротивлениетранзисторов, используемых в схеме ключа, достигает значений до 1012Ом. При толщине изоляции между затвором и полупроводником порядка 50… 70 мкмего собственное пробивное напряжение составляет порядка 150 ...200В. Этопредполагает введение в элемент специальной схемы защиты от статического электричества,которое может попасть на его вход в процессе хранения или монтажа. Роль этойсхемы выполняет входной диодно-резистивный ограничитель на элементах VD1,VD2,VD3 и R1.Данная схема ограничивает напряжение на входе тран­зисторного ключа в диапазонеот —0,7 В до На +0,7 В.

Элементы выходной диодной цени (VD4, VD5, VD6) образованы соответствующими областями самоготранзисторного ключа и с точки зрения его работы не являются обязательными.Наличие этих диодов накладывает дополнительные ограничения на использованиеэлемента. Всегда должно выполняться неравенство

│Uвх — Uвых │<Uп

/>В противномслучае диоды входного ограничителя и выходной цепи могут открываться,закорачивая цепь питания элемента. По­следнее может быть причиной его пробоя.Поэтому напряжение питания на КМОП-схсмы должно всегда подаваться до включенияи сниматься после отключения входного информационного сиг­нала.

/>СхемотехническиБЛЭ КМОП-типа повторяют схемы элемен­тов nМОП- ирМОП-типов. Отличие состоит в том, что всегда используются пары транзисторов.При этом если для реализации заданной логической функции транзисторы с каналомл-типа включаются последовательно, то парные им транзисторы р-типа включаютсяпараллельно и наоборот. В качестве примера, в соответствии с рисунком 10,приведены принципиальные электрические схемы, реали­зующие логические операции2И—НЕ и 2ИЛИ—НЕ. Для упро­щения на приведенных схемах не показаны элементывходных и выходных цепей ключа.

К особенностям схем БЛЭ следуеттакже отнести отсутствие дополнительного нагрузочного транзистора. Его рольвыполняет один из транзисторов ключа.

Анализ схем позволяет сделатьважный практический вывод о том, что аналогично БЛЭ ТТЛ для БЛЭ КЛЮПпараллельное включение нескольких их выходов запрещено.

В соответствии с  таблицей 1,приведены наиболее важные параметры БЛЭ кмоп.

Следует также отметить, чтоКМОП-элементы обладают высо­кой помехоустойчивостью до 40% напряжения питания.

Таблица 1

U1вых min

 В

U0вых miх

В

tзр ср

нс

Fmax

 мГц

Iпотр

мкА

Uп

В

Краз

Свх

 пФ

8 0,3

30 (Сн = 15 пФ)

100 (Сн = 100 пФ)

/>БЛЭИнтегрально-инжекционной логики

Для повышения технологичностиизготовления желательно при разработке ИС применять схемотехнические решения,использую­щие только однотипные элементы, например транзисторы. Этот путь, какбыло показано ранее, реализован в ИС МДП, что наряду с другими достоинствамиявляется причиной их широкого распро­странения. Однако, как уже отмечалось,ключ на биполярных транзисторах на сегодняшний день обладает лучшими как ключе­выми,так и частотными свойствами. Это является предпосылкой к постоянному поискуновых схемотехнических решений для реа­лизации биполярных ИС. Такой поискпривел к почти одновремен­ной разработке фирмами Philipsи IBM элемента интегральной инжекционной логики (И2Л).Срез топологии и соответствующая ему принципиальная электрическая схема БЛЭ И2Лприведены в соответствии с рисунком 11, а, б.

/>

Особенностью элементов И2Л является:

1.      Отсутствие резисторов, что резко упрощает технологию про­изводства МС;

2.      Использование токового принципа питания, при котором в ИС задается ненапряжение, а ток, который непосредственно ин­жектируется в областьполупроводника, образующего структуру одного из транзисторов;

3.      Пространственное совмещение в кристалле полупроводника областей,функционально принадлежащих различным транзисто­рам. При этом структурарасполагается как по горизонтали (планарно), так и по вертикали. Такое решениепозволяет отказаться от применения специальных решений для отделения областей,при­надлежащих различным элементам, как это необходимо делать в элементах ТТЛ иЭСЛ.

4.      Малое значение логического перепада, что позволяет максимальноувеличить быстродействие элемента.

В приведенной схеме, всоответствии с рисунком 11, б, многоколлекторный тран­зистор VT2 выполняетфункцию инвертирования входного сигнала, а транзистор VT1 — генератора(инжектора) базового тока тран­зистора VT2. К особенностям элементаследует отнести и постоян­ство тока инжектора во всех режимах работы элемента.Ток ин­жектора задается резистором R, который,как правило, выпол­няется общим на группу элементов.

В соответствии с рисунком 11, авидно, что транзистор VT1 образован планарнойструктурой, а многоколлекторный транзистор VT2 — верти­кальнойструктурой. Причем, так как площадь каждого коллек­тора транзистора VT2 меньшеплощади его эмиттера, этот транзи­стор, по сути, работает в инверсном режиме,что способствует уменьшению его напряжения насыщения. Все сказанное позволилоразместить весь элемент И2Л на площади, занимаемой в схеме ТТЛ одниммногоэмиттерным транзистором.

Важной особенностью элемента И2Лявляется возможность, варьируя ток инжектора в широких пределах, изменить егобыстро­действие. Реально ток инжектора может изменяться от 1 нА до 1 мА, т. е.на 6 порядков. А поскольку при заданной схемотехнике энергия переключенияэлемента—величина непостоянная, в таких же пределах может изменяться ибыстродействие элемента. Важно, что для этого не требуется никакихсхемотехнических изменении в элементе.

Принцип действия схемы И2Лзаключается в следующем. До­пустим, внешний сигнал на входе элемента (базатранзистора VT2) отсутствует, что соответствует сигналу логической 1. Вэтом случае ток инжектора, втекая в базу транзистора VT2, насыщает его. На егоколлекторах, а следовательно, и на выходных выводах элемента присутствуетнапряжение низкого уровня, равное напряжению на­сыщения транзистора VT2.Реально это 0,1 В… 0,2 13.

Если база транзистора VT2непосредственно или через на­сыщенный транзистор подключена к общей шине, товыполняется условие Uвх < Uбэ0 итранзистор VТ2 заперт, так как ток инжек­торазамыкается на общую нишу, минуя его эмиттерный переход. В этом случаенапряжение на его коллекторах определяется внеш­ними цепями. Припоследовательном включении нескольких инверторов это напряжение равнонапряжению эмиттерного перехода последующего транзистора. Таким образом, дляБЛЭ И2Л справедливы следующие соотношения:

U0= 0.1…0.2 B U1= 0.6…0.7 В

Из приведенных соотношении следует, что логический перепаддля БЛЭ И2Л составляет 0,4 ...0.6 В.

С использованием приведеннойсхемы могут быть реализованы основные логические операции И—НЕ и ИЛИ—НЕ. Всоответствии с рисунком 12, показана логическая схема, построенная на трехинверторах И2Л.

/>

Особенностью элементов И2Лявляется возможность параллель­ного включения нескольких их выходов. Изприведенной схемы следует, что при параллельном включении нескольких выходов вобщей точке относительно входных переменных реализуется логи­ческая операцияИЛИ—НЕ. Относительно же выходных сигналов элементов реализуется логическаяоперация И. Таким образом, если не требуется гальваническое разделение междувходными и выходными сигналами, то логическая операция И выполняется безкаких-либо дополнительных схемотехнических затрат простым объединениемсоответствующих выходов БЛЭ. После инвертирования результата выполненнойоперации ИЛИ—НЕ дополнитель­ным элементом относительно исходных входныхпеременных реа­лизуется логическая операция ИЛИ, а относительно выходныхсигналов первых элементов — операция И—НЕ.

Таким образом, БЛЭ И2Лпозволяет максимально унифициро­вать структуру ИС, снизив площадь ее кристалла,и либо умень­шить ее потребление, либо повысить быстродействие.

Типовое время задержкираспространения БЛЭ И2Л при токе инжектора 0,1 мкА составляет 10нс.При этом энергия переклю­чения для этого элемента па несколько порядков меньше,чем для элемента ТТЛ.

Ввиду небольшойпомехоустойчивости, обусловленной малым логическим перепадом, БЛЭ И2Лиспользуются исключительно в составе БИС и СБИС и как отдельные ИС малойстепени интегра­ции не выпускаются. При этом входные и выходные цепи ИС, вы­полненныхпо технологии И2Л, делаются совместимыми по логи­ческим уровням ссигналами ТТЛ.

/>Список используемойлитературы

1.     Гусев В. Г., Гусев Ю. Н. “Электроника” Москва 1991г

2.     Игумнов Д. В., Королев Г. В., Громов И. С. “Основы микроэлектроники”Москва 1991г

3.     Нефедов В. И. “Основы радиоэлектроники” Москва 2000г

4.     Опадчий         “Аналоговая и цифровая электроника” Москва 1999г

5.     Сентурия С., Уэдлок Б. “Электронные схемы и их применения” Москва 1977г

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике