Тема 8. Логічні елементи цифрових пристроїв. Тригерні схеми та їх застосування

1. Логічні елементи та їх класифікація

Логічний елемент – це електронний пристрій, що реалізує одну з логічних операцій. Логічні елементи являють собою електронні пристрої, у яких оброблювана інформація закодована у вигляді двійкових чисел, відображуваних напругою (сигналом) високого і низького рівня. Термін «логічні» прийшов в електроніку з алгебри логіки, що оперує зі змінними величинами і їхніми функціями, що можуть приймати тільки два значення: «істинно» чи «хибно». Для позначення чи істинності хибності висловлень використовують відповідно символи 1 чи 0. Кожна логічна перемінна може приймати тільки одне значення: 1 чи 0. Ці двійкові змінні і функції від них називаються логічними змінними і логічними функціями. Пристрої, що реалізують логічні функції, називаються логічними чи цифровими пристроями.

На рис. 10.1 – 10.10 представлені логічні елементи, що реалізують розглянені вище функції. Там же представлені так називані таблиці чи станів таблиці істинності, що описують відповідні логічні функції в двійковому коді у виді станів вхідних і вихідних перемінних. Таблиця істинності є також табличним способом завдання ФАЛ.

На рис.10.1 представлений елемент “НІ”, що реалізує функцію логічного заперечення Y = .

Рис. 10.1. Елемент НІ

Елемент “АБО” (рис.10.2) і елемент “І” (рис.10.3) реалізують функції логічного додавання і логічного множення відповідно.

Рис. 10.2. Елемент АБО.

Рис. 10.3. Елемент І

Функції Пірса і функції Шеффера реалізуються за допомогою елементів “АБО-НІ” і “І-НІ”, представлених на рис.10.4 і рис. 10.5 відповідно.

Рис. 10.4. Елемент АБО-НІ.

Рис. 10.5. Елемент І-НІ.

Елемент Пірса можна представити у виді послідовного з'єднання елемента “АБО” і елемента “НІ” (рис.10.6), а елемент Шеффера - у виді послідовного з'єднання елемента “І” і елемента “НІ” (рис.10.7).

На рисунку 10.8 і 10.9 представлені елементи “ Що виключає Або” і “ Що виключає АБО-НІ”, що реалізують функції нерівнозначності і нерівнозначності з запереченням відповідно.

Рис. 10.8. Елемент, що виключає АБО.

Рис.10. 9. Елемент, що виключає АБО-НІ.

Логічні елементи, що реалізують операції кон’юнкції, диз’юнкції, функції Пірса і Шеффера, можуть бути, у загальному випадку, n - входові. Так, наприклад, логічний елемент із трьома входами, що реалізує функцію Пірса, має вид, представлений на рис.10.10.

Рис.10.10. Логічний елемент, що реалізує функцію Пірса

У таблиці істинності (рис.10.10) є вісім значень вихідних змінних Y. Ця кількість визначається числом можливих комбінацій вхідних змінних N, що, у загальному випадку, дорівнює: N = 2 n , де n - число вхідних змінних.

Логічні елементи по режиму роботи підрозділяються на статичні і динамічні. Статичні ЛЭ можуть працювати як у статичному, так і динамічному (імпульсному) режимах. Статичні елементи найбільше широко використовуються в сучасних мікросхемах. Динамічні ЛЕ можуть працювати тільки в імпульсному режимі.

Логічні елементи класифікують також за типом транзисторів, які застосовуються. Найбільше поширення одержали ЛЕ на біполярних і МДП - транзисторах і МДП – транзисторах. Крім того, інтенсивно розробляються ЛЕ на арсенід – галієвих МЕП і ГМЕП – транзисторах. Для кожного з перерахованих типів ЛЕ існує число схемотехнічних і конструктивно – технологічних різновидів.

Логічне проектування

Зазвичай, логічне проектування виконується в наступній послідовності:

1) складання таблиці істинності синтезованого вузла відповідно до його означення, призначення і (словесного) опису принципу роботи;

2) складання математичної формули для логічної функції, що описує роботу синтезуючого вузла, відповідно до наявної таблиці істинності;

3) аналіз отриманої функції з метою побудови різних варіантів її математичного виразу (на підставі законів булевої алгебри) і знаходження найкращого з них відповідно до того чи іншого критерію;

4) складання функціональної (логічної) схеми вузла із заздалегідь заданим набором логічних елементів.

Графічні позначення логічних елементів

Назва елемента	Вітчизняні позначення	Міжнародні позначення	Таблиці істинності
Інвертор			x y 0 1 1 0
I			x1 x2 y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
I-HE			x1 x2 y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
АБО			x1 x2 y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
АБО-НЕ			x1 x2 y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
Виключаюче АБО			x1 x2 y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

2. Інтегральні схеми. Основні параметри і характеристики ІС

2. Інтегральні схеми. Основні параметри і характеристики ІС

2.1. Загальна характеристика ІС
2.2. Номенклатура інтегральних мікросхем
2.3. Номенклатура аналогових ІМС
2.4. Номенклатура та основні параметри цифрових ІМС

2.1. Загальна характеристика ІС

Використання електронних пристроїв для розв'язання найскладніших задач призводить до постійного ускладнення їхніх електронних схем. Аналіз розвитку електронної техніки показує, що упродовж десяти  років складність електронних пристроїв збільшується приблизно вдесятеро. Якщо десять років тому використовували електронні пристрої з кількістю активних елементів до 10⁷, то сьогодні є електронні пристрої з кількістю елементів близько 10⁸. За той самий час істотно зросла швидкодія електронних пристроїв, зменшились їхні габарити, зокрема, і напівпровідникових приладів. Розміри одного активного елемента зменшились до 0,2 мкм, що дає змогу розміщувати в одній  мікросхемі 10⁶–10⁷ елементів. Створення но­вих електронних пристроїв з великою кількістю елементів стало можливим на базі мікроелектроніки та наноелектроніки. Це новий напрям електроніки, який охоплює проблеми створення мікромініатюрних електронних пристроїв, що відрізняються надійністю, низькою вартістю, високою швидкодією і малою споживаною потужністю. Основним конструктивно-технічним принципом мікроелектроніки є елементна інтеграція – об’єднання в одному складному мініатюрному компоненті багатьох найпростіших елементів (діодів,  транзисторів, резисторів тощо). Отриманий в результаті такого об’єднання складний мікрокомпонент називають інтегральною мікросхемою (ІМС).

Інтегральна мікросхема – мікроелектронний виріб, до складу якого входить не менше ніж п’ять активних елементів (транзисторів, діодів) і пасивних елементів (резисторів, конденсаторів), які виготовляють в одному технологічному процесі. Ці елементи  електрично з’єднані між собою, вміщені в загальний корпус і є нероздільним цілим.

З погляду інтеграції основними параметрами ІМС є щільність упакування і ступінь інтеграції. Щільність упаку­вання характеризується кількістю елементів в одиниці об’єму ІМС, ступінь інтеграції – кількістю елементів, які входять до складу ІМС.  За ступенем інтеграції всі ІМС поділяють на: ІМС першого ступеня інтеграції – до 10 елементів, другого ступеня – від 10 до 100 елементів, третього ступеня – від 100 до 1000 елементів і т.д.

За технологією виготовлення розрізняють напівпровідникові і гібридні ІМС.

Напівпровідникова ІМС – інтегральна мікросхема, всі елементи і міжелектродні з’єднання якої виконані в об’ємі і на поверхні напівпровідника.

Щільність упакування сучасних напівпровідникових ІМС сягає 10⁵ елементів на 1 см³ для шостого ступеня інтеграції. Лінійні розміри окремих елементів і відстані між ними можуть бути зменшені до 1 мкм.

Аналіз тенденції розвитку мікроелектроніки показав, що складність найбільших напівпровідникових ІМС збільшується приблизно вдвічі за рік.

Гібридна ІМС  – інтегральна мікросхема, пасивні елементи якої виконані нанесенням різних плівок на поверхню діелектричної підкладки зі скла, кераміки, сіталу або сапфіру, активними ж елементами є безкорпусні напівпровідникові прилади.

Щільність упакування гібридних ІМС  дещо менша – до 150 елементів на 1 см³, ступінь інтеграції – перший і другий. Гібридні ІМС перспективні для пристроїв з невеликою кількістю елементів, в яких може бути забезпечена висока точність параметрів.

Висока точність виконання плівкових елементів може бути використана під час виготовлення мікросхем за суміщеною технологією, в якій активні і частину пасивних елементів виконують в об’ємі напівпровідника, а іншу частину пасивних елементів – на його поверхні в тонкоплівковому виконанні.  Застосування двох технологій підвищує вартість таких ІМС, проте дає змогу істотно збільшити точність їхніх параметрів.

Останнім часом застосовують суміщену технологію, за якою в гібридних мікросхемах як навісні компоненти використовують безкорпусні напівпровідникові ІМС. За такою технологією виготовляють мікросхеми до шостого ступеня інтеграції для швидкодіючих ЕОМ.

Застосування мікросхем істотно збільшує надійність електронних пристроїв, тому що надійність мікросхем загалом, до складу яких входить велика кількість елементів, не поступається надійності окремих транзисторів, діодів, резисторів.

На відміну від напівпровідникових діодів і транзисторів, ІМС є не окремими елементами, а цілими функціональними вузлами, призначеними для перетворення електричних сигна­лів. Залежно від типу сигналів, які формують та перетворюють ІМС, розрізняють два класи ІМС: аналогові та цифрові.

Аналогові ІМС призначені для оброблення та перетворення аналогових сигналів і реалізують такі основні аналогові функції: підсилення, порівняння, перемноження, обмеження, частотну фільтрацію. Кожна із названих функцій є відповідною математичною операцією, яку здійснюють ІМС над аналоговими сигналами:

– функція підсилення – це збільшення миттєвих значень сигналу в К разів без  нелінійних спотворень у необмеженій смузі частот;

– функція порівняння – це  зіставлення двох аналогових сигналів з деякою заданою точністю;

– функція перемноження дає змогу отримати результат перемноження двох аналогових сигналів;

– функція обмеження встановлює межі допустимих змін миттєвих значень сигналу, які він не може перейти. Розрізняють обмеження зверху, знизу та двостороннє обмеження;

– функція частотної фільтрації – це виділення потрібного діапазону частот із повного спектра сигналу, в якому здійснюється передавання його гармонік.

Перелічені основні аналогові функції утворюють у сукупності повний набір операцій, необхідних для перетворення та оброблення аналогових сигналів. Аналогові ІМС виготовляють переважно у вигляді напівпровідникових ІМС та великих інтегральних мікросхем (ВІС).

Цифрові ІМС призначені для оброблення та перетворення цифрових сигналів і реалізують логічні та арифметичні  операції та операції запам’ятовування цифрової інформації. При цьому звичайно використовують двійкову систему числення. Двійкова система порівняно з іншими системами дає змогу найпростіше реалізувати арифметичні дії.

Основою будови цифрових ІМС є так звані логічні елементи, тобто електронні схеми, які виконують найпростіші логічні операції, до яких належать:

– операція логічного заперечення (інверсія) – функція “НЕ”;

– операція логічного додавання (диз’юнкція) – функція “АБО”;

– операція логічного множення (кон’юнкція) – функція “І”.

Ці елементарні логічні функції утворюють так званий основний логічний базис. З їхньою допомогою можна реалізувати будь-яку складну логічну функцію. Інтегральні логічні елементи становлять основу  складніших мікросхем та цифрових пристроїв і систем. Найпоширенішими є цифрові ІМС на біполярних та МДН-транзисторах.

2.2. Номенклатура інтегральних мікросхем

Під номенклатурою ІМС розуміють перелік різновидів мікросхем, які відрізняються за функціональним призначенням, параметрами, конструктивно-технологічними характеристиками.

2.3. Номенклатура аналогових ІМС

Основу номенклатури аналогових мікросхем утворюють ІМС, які реалізують основні та спеціальні аналогові функції. Залежно від реалізованої ана­логової функції розрізняють такі основні типи аналогових ІМС: багатоцільові підсилювачі, операційні підсилювачі, компаратори напруги, обмежувачі, перемножувачі, активні та пасивні фільтри, аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі, стабілізатори напруги, комутатори і ключі, формувачі, генератори, детектори, модулятори, змішувачі тощо.

Багатоцільові підсилювачі призначені для підсилення  сигналів у широкому діапазоні частот. До них належать підсилювачі низьких, проміжних та високих частот, а також ши­рокосмугові підсилювачі і підсилювачі постійного струму.

Окрему підгрупу становлять операційні підсилювачі – найпоширеніший тип підсилювача широкого застосування, який реалізує функцію підсилення і виконує роль базового універсального елемента для побудови аналогових функціональних вузлів різноманітного призначення. Типовий операційний підсилювач характеризується високим коефіцієнтом підсилення (десятки – сотні тисяч), високим вхідним опором (сотні кОм – десятки мОм), низьким вихідним опором (сотні Ом – одиниці кОм).

Компаратори напруги реалізують функцію порівняння двох сигналів і в момент їхньої рівності стрибком змінюють вихідну напругу.

Обмежувачі реалізують функцію обмеження і призначені для зміни форми сигналів.

Перемножувачі  реалізують функцію перемноження двох аналогових сигналів. Їх застосовують під час здійснення таких перетворень сигналів, як модуляція, помноження, ділення та перетворення частоти коливань, детектування, генерування коливань.

Фільтри реалізують функції частотної вибірності (селекції). Їх випускають серійно у вигляді активних RC-фільтрів на основі операційних підсилювачів, а також у вигляді пристроїв на основі поверхневих акустичних хвиль та приладів із зарядовим зв’язком.

Аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП) призначені для перетворення відповідно аналогових сигналів у цифровий код і цифрової інформації на аналогові сигнали. Їхнє застосування забезпечує цифрове оброблення аналогових сигналів і подальше перетворення результатів оброблення в аналогову форму.

Стабілізатори напруги призначені для підтримання сталої напруги жив­лення електронних вузлів, блоків, пристроїв.

Аналогові комутатори і ключі застосовують для перемикання і перерозподілу у часі інформації.

Формувачі сигналів, генератори, детектори, модулятори, змішувачі належать також до аналогових ІМС. Оскільки кількість таких схем велика, а їхня стандартизація ускладнена, то під час їхнього виготовлення використовують різні типи операційних підсилювачів з додатковими зовнішніми підсхемами.

На закінчення зауважимо, що різноманітність функцій, які реалізують аналогові ІМС, не дає змогу характеризувати їх сукупністю параметрів, єдиних для усіх типів мікросхем. Кожну групу аналогових ІМС характеризують певними параметрами, притаманними лише однотипним мікросхемам. Ці питання є предметом вивчення спеціальних дисциплін.

2.4. Номенклатура та основні параметри цифрових ІМС

Найзагальніша класифікація цифрових ІМС ґрунтується на поданні цифрових схем як цифрових автоматів.

На підставі такого підходу цифрові ІМС поділяють на дві групи:

а) комбінаційні схеми (цифрові автомати без пам’яті), особливість яких полягає у тому, що їхні вихідні сигнали у будь-який момент часу залежать лише від комбінації вхідних сигналів у той самий момент. До комбінаційних схем належать суматори, комутатори (мультиплексори і демультиплексори), перетворювачі кодів (шифратори і дешифратори), компаратори, програмовані логічні матриці, арифметико-логічні блоки тощо.

б) послідовнісні схеми (цифрові автомати з пам'яттю), до складу яких входять елементи пам’яті – запам’ятовувальні комірки. Внаслідок цього вихідні сигнали послідовнісних схем залежать не тільки від комбінації вхідних сигналів, але і від стану елементів пам’яті. До послідовнісних схем належать регістри, лічильники, генератори чисел тощо, також мікропроцесори – програмно керовані великі інтегральні схеми (ВІС), які реалізують арифметичні та логічні операції над цифровими сигналами. Програмування мікропроцесорів здійснюють подан­ням зовнішніх сигналів, комбінація яких утворює певну команду для мікропроцесора, забезпечуючи виконання тієї чи іншої операції.

Окрему групу цифрових ІМС утворюють запам’ятовувальні пристрої, які призначені для зберігання інформації і реалізують операції запису, запам’ятовування та зчитування цифрових сигналів.

На відміну від аналогових, цифрові ІМС характеризують набором основних параметрів, однакових для усіх мікросхем, що дає змогу порівнювати між собою мікросхеми різних типів.

До основних параметрів належать: логічна функція, яку реалізує мікросхема; навантажувальна здатність (коефіцієнт розгалуження на виході n та коефіцієнт об’єднання на вході m); середній час затримки передавання сигналу t_з.ср; статична завадостійкість U_з; споживана потужність Р_ср; гранична робоча частота f_гр.

Перелічені параметри взаємопов’язані функціональними залежностями, специфічними для схем різних типів. Для усіх типів мікросхем характерно те, що покращання одного з пара­метрів призводить до погіршення інших параметрів.

Навантажувальна здатність характеризує максимальну кількість однотипних мікросхем, які можна з’єднувати між со­бою. Коефіцієнтом розгалуження на виході називають кількість n однотипних мікросхем, які можна під’єднати до виходу такої самої мікросхеми без спотворення інформації, яку передають. Коефіцієнтом об’єднання на вході називають кількість m виходів однотипних мікросхем, які можна під’єднати до входу мікросхеми без спотворення інформації.

Середній час затримки сигналу t_з.ср характеризує швид­кодію цифрових ІМС і визначає середній час проходження сиг­налу через одну мікросхему.

Статична завадостійкість U_з характеризує максимальне значення напруги зовнішньої статичної завади, яка діє на мікросхему і не призводить до порушення нормального її функ­ціонування.

Потужність, яку споживає мікросхема від джерел жив­лення, не є сталою у будь-який момент часу, а залежить від логічного стану і типу логічних елементів й змінюється у разі перемикання схеми. Тому як основний параметр використо­вують не миттєве, а середнє значення потужності, яку спо­живає мікросхема упродовж достатньо великого часу: Р_ср = (Р₀+Р₁)/2, де Р₀ і Р₁ – потужності, споживані схемою відповідно у стані логічного  нуля та логічної одиниці. Якщо потужність, споживана під час перемикань мікросхеми, більша від потужності, споживаної у статичних станах, мікросхеми додатково характеризують потужністю, споживаною за максимальної частоти перемикання. Зауважимо, що чим більшу потужність споживає мікросхема, тим більша її швидкодія.

Конкретні значення основних параметрів цифрових ІМС залежать від їхніх конструктивно-технологічних та схемотехнічних рішень, які є предметом вивчення окремих дисциплін.

3. Типи логіки

Існує ряд типів логіки (способів промислового виготовлення) функціонально еквівалентних мікросхем.

Функціональна еквівалентністьбазується на незмінності початкової логічної схеми цифрового приладу.

Найрадикальніше між собою розрізняються наступні типи логіки :

·         резистивно-транзисторна логіка (РТЛ) - найбільш простий варіант, де базовий елемент перемикача представлений транзистором з резисторами на вході; має низьку швидкодію і недостатню завадозахищеність;

·         діодно-транзисторна логіка (ДТЛ) - базовий елемент є транзистором з включеними на вході діодами; забезпечується максимальний захист від перешкод;

·         транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ) заснована на застосуванні біполярних транзисторів з декількома емітерами, кожен з яких є самостійним входом.

Логіка ТТЛ показала себе універсальною. Інтегральні схеми, реалізовані на її основі, мають збалансовані технічні показники та характеризуються великою здатністю навантаження, порівняно високою швидкодією і низькою споживаною потужністю.

Існують типи логіки, створені на основі ТТЛ, :

·         транзисторна емітерно-пов'язана логіка (ЭСЛ) - дозволяє максимально збільшити швидкодію за рахунок включення базового транзистора в ненасиченому режимі; недолік - порівняно висока споживана потужність;

·         логіка з діодами Шотки (ТТЛШ) - використовує ефект Шотки, що не дозволяє базовому транзистору увійти до режиму насичення, внаслідок чого значно скорочується затримка перемикання і знижується енергоспоживання.

Біполярна мікроелектронна технологія на основі ефекту Шотки досить поширена. Важливу роль грає той факт, що мікросхеми ТТЛ і ТТЛШ мають однакову напругу електроживлення +5В і схожі значення логічних рівнів, що полегшує їх електричне сполучення.

Основні технічні параметри ТТЛ і ТТЛШ приведені в таблиці 1.1.

Перспективи розвитку радянської мікроелектроніки зв'язувалися з інтегрально-інжекційною логікою (И2Л), яка, не дивлячись на обмежену швидкодію, могла стати альтернативою біполярним технологіям. Переваги И2Л - висока міра інтеграції і низьке енергоспоживання. З розвалом СРСР дослідження інжекційних технологій сповільнилися.

Переважна більшість сучасних мікросхем, у тому числі, мікропроцесорів і систем на кристалі, виготовляється за технологією КМОП - логіки комплементу на полярних транзисторах «метал-оксид-напівпровідник» (МОН).

В порівнянні з іншими МОН-структурами (n-МОП, p-МОП), базовий елемент комплементу об'єднує в собі частини польових транзисторів n- і p- типа. Мікросхеми КМОП мають високу швидкодію і порівняно мале енергоспоживання, хоча складніші у виготовленні.

Таблиця 1.1 - Основні параметри вітчизняних серій мікросхем

У 2011 році по КМОП-технології з технологічним допуском 0.28 нм була виготовлена «найбільша» у світі мікросхема, що складається з 3.9 млрд. транзисторів (фірма Altera).

Рисунок 1.1 - Маркування мікросхем фірми Texas Instruments

3.1. Діодно-транзисторна логіка

Частково проблеми РТЛ розвязують базові логічні елементи діодно-транзисторної логіки. У їх вхідних колах ставлять нелінійні електронні компоненти – діоди. Найбільш простою тут також є реалізація базового логічного елемента АБО-НІ (рис.).

Але і такі схеми мають принципові недоліки:

1. Сильна залежність параметрів логічного елемента від температури;

2. Нестабільність та велика тривалість процесів переключення при запиранні транзистора.

Для вирішення цих проблем у схеми реальних логічних елементів з ДТЛ у вхідне коло транзистора вводять струмозадаючий (Rб) та зміщуючий (Rсм) резистори (рис.).

3.2. Транзисторно-транзисторна логіка

Основою ТТЛ-елементів є потенційний інвертор із перемиканням базового струму [2].

Ттл-елемент і–не із складним інвертором

Принципова схема ЛЕ представлена на рисунке 9.2. Вона є базовою для мікропотужної серії 134.

Рисунок 9.2

Склад схеми

V₁ – багатоемітерний транзистор, що реалізує операцію «І».

V₂, R₂, R₃ – фазоінверсний каскад.

V₃, V₄, R₄, VD – двотактний вихідний каскад.

Два останні каскади і утворюють разом схему складного інвертора.

Джерело живлення E=5V.

Принцип дії. Логічний елемент функціонує у позитивній логіці з наступними логічними рівнями: U⁰=0,2V; U¹=3,6 V. Нехай на всі ходи подаються логічні «одиниці»

x₁=x₂=…=x₈=U¹=3,6 V.

Всі емітерні переходи транзистора V1 закриті і струм IA1 перемикається у базу транзистора V2, який від цього відкривається і переходить до РН. Зростання струму через V2 приводить до збільшення спадів напруги на опорах R2 і R3. Напруга на колекторізменшується, а напруга на емі­тері V2 (на базі V4) збільшується. ТранзисторV4 відкривається, шунтуючи опір R3 і викликаючи подальше зменшення потенціалу колектора V2. Внаслідок цього транзистори V2 і V4 переходять до РН, тобто

Транзистор закривається, бо напруга між колекто­рамиістає меншо ю, ніж сумарний поріг відкривання транзистораі зміщувального діода. Відтак, основне призначення діодаполягає в забезпеченні надійного закриванняпри насиченні транзисторіві.

Вихідна паразитна ємність швидко розряджа­ється через відкритий і насичений транзистор.

При надходженні хоча б на один із входів ЛЕ логічного «нуля» перехід по першому емітеру вмикається прямо (відкривається), і базовий струмперемикається у вхідне коло. Транзисторзакривається. Напруга колекторазростає, а напруга емітеразменшується. Транзисторвідкривається, і протягом короткого часу (поки ще не закритий) через вихідний каскад протікає значний струм. Для його обмеження призначений опір. Далі транзисторзакривається (переходить до РВ), а транзистор– відкритий і перебуває в АР. Напруга на виході ЛЕ

,

де – сумарний спад напруги на,і діоди. Оскільки, тому в цій схемі.

Паразитна ємність  швидко заряджається від джерела живлення через малий вихідний опір емі­терного повторювача на транзисторі. Це зумовлюєшвидкодію даної схеми.

Високу завадостійкість пристрою забезпечує наявність фазоінверсного каскаду, який збільшує загальний коефіцієнт підсилення і крутизну СПХ ЛЕ. Внаслідок цього схема спрацьовує (відкривається) при більшому значенні амплітуди завади .

В будь-якому стані ТТЛ-елемента один із транзисторів вихідного каскаду (або емітерний повторювач на , або інвертор на) постійно буде проводити струм, забезпе­чуючи надходження достатнього струму до навантаження. Це визначає високий рівеньнавантажувальної здатності схеми на рисунку 9.2.

Базовий логічний елемент 133 і 155 серій

Базовий елемент стандартних серій побудо­ваний за схемою рисунка 9.3.

Рисунок 9.3

3.3. Логічні елементи на перемикачах струму з об'єднаними емітерами

Схемотехніка елементів ЕЗЛ базується на використанні диференціаль­но­го підсилювача в режимі перемикання струму. Елементи ЕЗЛ з’явилися в 1967 р. і в даний час є над швидкодіючими серед напівпровідникових елементів на основі кремнію. Затримка поширення сигналів в елементах ЕЗЛ зменшилася до субнаносекундного діапазону (порядку 1 нс).

Над швидкодія елементів ЕЗЛ досягається за рахунок використання ненасиченого режиму роботи транзисторів, вихідних емітер них повторювачів, малих амплітуд логічних сигналів (біля 0,8 В). У логічних елементах ЕЗЛ є пара фазний вихід, що дозволяє одночасно отримувати пряме та інверсне значення реалізованої функції. Це дає значне зниження загальної кількості мікросхем в апаратурі.

Особливостями схемотехніки ЕЗЛ та її характеристик є:

можливість об’єднання декількох елементів для утворення нових ло­гічних функцій;

можливість роботи на низькоомному навантаженні завдяки наявності емітер них повторювачів;

невелике значення роботи перемикання і незалежність споживаної по­тужності від частоти перемикання;

висока стабільність динамічних параметрів при зміні температури і напруги живлення;

використання від’ємного джерела живлення і заземлення колекторних кіл, що зменшує залежність вихідних сигналів від завад у шинах живлення.

До недоліків ЕЗЛ відносять складність схем, значне споживання потуж­ності та труднощі узгодження з мікросхемами ТТЛ і ТТЛШ.

Промисловість випускає ряд серій ЕЗЛ: 100, 137, 138, 187, 223, 229, 700, 500 і К1500. Високі техніко економічні характеристики мікросхем серій 500 і К1500 обумовили їх широке застосування у швидкодіючих цифрових прист­ро­ях. Типові значення параметрів елементів ЕЗЛ приведено в табл. 2.7.

Таблиця 2.7

Мікросхеми ЕЗЛ серії 500 виготовляють за напівпровідниковою дифузі­й­ною пленарно-епітаксіальною технологією. Усі компоненти мікросхеми роз­та­шовують в одному кристалі кремнію і ізолюють обернено зміщеними p-n-пере­хо­дами.

Схема типового логічного елемента ЕЗЛ серії 500 показано на рис. 2.21.

Схема ЕЗЛ вміщує:

· перемикач струму (логічні транзистори VT1, VT2, опорний транзистор VT3, резистори R1, R2, R3);

· джерело опорного зміщення (транзистор VT4, діоди VD1, VD2, резис­тори R5, R6);

· вихідні емітерні повторювачі (транзистори VT5, VT6).

Напруга на відкритому переході база-емітер кремнієвого транзистора є постійним параметром U^*=0,8 В. При аналізі роботи елемента приймаємо домо­вленість від’ємної логіки: значення лог. 0 відображається високим (з урахуван­ням знаку) рівнем напруги U_Н=-0,9 В; значення лог. 1 відображається низьким рівнем напруги U_L=-1,7 В. Амплітуда (перепад) логічного сигналу U_m= U_Н- U_L= 0,8 В.Опорна напруга перемикача струму розташовується симетрично щодо рівнів двійкових сигналів і визначається як середнє: U_ОП=-( U_Н-+U_L)/2=-1,3 В.

Якщо хоча б на один із входів подана напруга U_Н=-0,9 В, то даний тран­зистор відкривається, на нього перемикається струм І_Е, що створює на резисторі R₁ падіння напруги мінус 0,9 В. При цьому опорний транзистор закритий і на резисторі R₂ падіння напруги рівне -0,1 В.

Якщо на усі входи подані рівні U_L=-1,7 В, то транзистори VT1, VT2 зак­риваються, а транзистор VT3 відкривається і на нього перемикається струм І_Е. У цьому випадку падіння напруги на резисторі R₁=-0,1 В, а на резисторі R₂ мі­нус 0,9 В. При цьому на колекторах лівого і правого плеча рівні напруги не від­повідатимуть взятому значенню двійкового сигналу. Емітерні повторювачі на транзисторах VT5, VT6 зміщують рівні сигналів, які надходять на їхні бази з лівого і правого плеча перемикача, U^*=0,8 В у бік від’ємних сигналів:

U_ОН=-(U^*+0,1)=-0,9 В; U_ОL=-( U^*+0,9)=-1,7 В.

Внаслідок цього рівні вхідних і вихідних сигналів відповідають чинному стандарту. Часові діаграми роботи елемента ЕЗЛ показані на рис. 2.22.

Як випливає з часових діаграм, вхідні і вихідні логічні сигнали змінюю­ться на ±0,4 В щодо опорної напруги.

У від’ємній логіці елемент ЕЗЛ реалізує на прямому виході F функцію І, а на інверсному виході Y – функцію НЕ І, що записується як НЕ-І/І. У позитив­ній логіці елемент ЕЗЛ реалізує функцію НЕ-ЧИ/ЧИ.

Резистори R₇ і R₈ опором 50 кОм підключені до джерела від’ємного жив­л­ення і забезпечують протікання зворотного базового струму, а також надійне закривання вхідних транзисторів, які не використовуються (незадіяні входи не потрібно підключати до лог. 1). Крім того ці резистори є навантаженням для джерела вхідних сигналів.

У елементах ЕЗЛ серії 500 навантажувальні резистори емітерного пов­то­рювача (ЕП) винесені за межі мікросхеми, що знижує потужність розсіювання, і забезпечує можливість організації монтажної логіки. Зовнішні на­вантажувальні резистори опором 0,3-3,0 кОм підключають між виходом ЕП і основним джере­лом живлення -5,2 В. При роботі на низькоомне навантаження 50-200 Ом резис­тори можуть підключатись до додаткового зниженого джерела живлення -2,0 В.

Підключення від’ємної напруги живлення до емітерного кола і заземлен­ня колекторів забезпечує кращу завадостійкість до перешкод і меншу залеж­ність вихідних сигналів від наведених завад у колі емітера. Опір резистора R3 у декілька разів більший опорів R1 і R2, чим досягається сталість струму І_Е у пле­чах перемикача струму. Крім того, співвідношення опорів резисторів R1, R2 і R3 підібрано так, щоб на виході закритого плеча встановлювалась напруга -0,1 В за рахунок протікання струму бази ЕП, а на виході відкритого плеча напруга становила -0,9 В за рахунок протікання струму І_Е.

Колектори ЕП підключені до окремої шини землі; це пов’язано з тим, що струми повторювачів мають імпульсний характер і вони створюють переш­коди у провідниках, які підводять напругу.

У елементах ЕЗЛ допускається об’єднання виходів, як показано на рис. 2.23. Об’єднання прямих виходів збільшує коефіцієнт об’єднання по І; об’єд­нання інверсних виходів дозволяє реалізувати функцію НЕ-І-ЧИ.

3.4. Логічні елементи на МДН - транзисторах

На сьогодні найбільш поширені логічні елементи двох транзисторних логік: ТТЛ і КМОН. Величезну кількість логічних елементів ТТЛ і КМОН, які виконують різноманітні функції, випускають десятки фірм. За допомогою ТТЛ-елементів і КМОН-елементів можна задовольнити усі потреби, що виникають під час побудови цифрових пристроїв і систем.

Зусилля розробників біполярних ІС завжди були спрямовані на зменшення споживаної потужності зі збереженням швидкодії, а розробників МОН-ІС – на збільшення швидкодії зі збереженням економічності. Результатом такої сумісно праці стали елементи логіки на суміщених біполярних і МОН-транзисторах (БіКМОН). В статичному режимі ключ БіМОН (рис. 11.44) працює як звичайний КМОН-інвертор (VT1, VT2), в якому послідовно з каналом кожного транзистора ввімкнені відповідно резистори R1 і R2, опори яких сумірні з опорами каналів відкритих VT1 і VT2. Під час перехідних процесів використання біполярних транзисторів VT3 і VT4 допомагає прискорити перезаряджання ємності навантаження, а отже, збільшити швидкодію ІЛЕ.

Рис. 11.44. БіКМОН-інвертор

Незалежно від приналежності до тієї чи іншої серії, усі логічні елементи характеризуються основними параметрами, які є довідковими даними. Більшість параметрів має чітке офіційне визначення, що забезпечує однозначність вимірювальних методик і можливість порівняння різних типів ІЛЕ. Значення ж цих параметрів обумовлені схемотехнічними конструктивним і технологічним виконанням елементів. Значення параметрів, як правило, задаються з запасом і не вичерпують фізичних можливостей мікросхеми, проте перевищувати їх не слід. Повний перелік основних параметрів, за якими оцінюють ІЛЕ, надто великий: параметрів, які мають розмірність напруги близько тридцяти, параметрів з розмірністю струму – близько 20, з розмірністю потужності – близько 20, з розмірністю частоти і часу – відповідно 8 і 13, відносних параметрів – 18, є й інші.