1. Інтегральні схеми. Основні параметри і характеристики 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.

1.1. Загальна характеристика ІС

Якщо кілька десятків 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.

1.2. Номенклатура інтегральних мікросхем

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

1.3. 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.

1.4. 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.

2. Класифікація технологій виготовлення логічних елементів

Інтегральні схеми класифікують за різними ознаками:

1)  за конструктивно-технологічними ознаками інтегральні схеми поділяють на напівпровідникові, плівкові, гібридні та суміщені.

У напівпровідникових інтегральних схемах всі елементи (резистори, діоди, транзистори та інші) виконані у приповерхневому шарі одного кристалу напівпровідникового матеріалу, так званої активної підкладки (зазвичай цемонокристал кремнію, германію або арсеніду галію). Недоліком напівпровідникових ІС можна вважати порівняно невисоку якість пасивних елементів (резисторів і конденсаторів) і неможливість створення всередині напівпровідника котушок індуктивності. В плівкових інтегральних схемах всі елементи являють собою плівки, які нанесені на діелектричнупідкладку (пасивну підкладку). Їх поділяють на тонкоплівкові та товстоплівкові. У гібридних інтегральних схемах пасивніелементи виконані у вигляді плівок, які нанесені на діелектричну підкладку, а активні елементи є навісними. У тих випадках, коли необхідна висока якість пасивних елементів напівпровідникових ІС, використовують суміщені інтегральнісхеми. Активні елементи суміщених ІС виконують у приповерхневих шарах кристалів напівпровідникового матеріалу (як у напівпровідникових ІС), на кристалі створюють ізолюючий шар  і наносять на нього плівкові пасивні елементи іміжз’єднання. Суміщені схеми коштовніші за напівпровідникові і мають помітно більші розміри, але характеризуються кращими параметрами.

Кожна з груп ІС у свою чергу об’єднує інтегральні схеми з різними технологіями виготовлення елементів (в першу чергу, транзисторів), що суттєво впливає на параметри мікросхем. До того ж, існують різні схемні варіанти реалізації інтегральних логічних елементів, що також безпосередньо впливає на параметри усіх вузлів і систем пристроїв. Тому нерідко в описі мікросхеми вказують транзисторну логіку, щоб підкреслити тим самим загальну характеристику властивостей і можливостей мікросхеми. На сьогодні найбільш поширеними є мікросхеми з транзисторно-транзисторною логікою (ТТЛШ на біполярних транзисторах) та з  логікою на комплементарних польових транзисторах  (КМОН)  [ § 11.3.3 ].

2)  За видом сигналу, що оброблюється, інтегральні схеми поділяють на дві великі групи: аналогові та цифрові.

Аналогові ІС виконують функції перетворення та обробки електричних сигналів чи параметрів електричної енергії за законами функцій, які неперервні у часі. Основу схемотехніки аналогових інтегральних мікросхем створюють найпростіші підсилювальні каскади. Використовуючи такі схемотехнічні заходи як багатокаскадність тазворотнізв’язки, розроблюють різного призначення підсилювачі, стабілізатори напруги і струму, перетворювачі частоти, фази і тривалості імпульсів, генератори синусоїдних та релаксаційних сигналів, а також інші схеми (Лекції № 8, № 9, № 10)). Цифрові ІСпризначені для формування, перетворення і передавання кодів, поставлених у відповідність реальним значенням сигналів. При цьому інформаційні значення вхідних і вихідних сигналів змінюються дискретно в часі, тобто приймають два значення, які дорівнюють логічній одиниці та логічному нулю (логічні елементи, комутатори і ключі, тригери, регістри, суматори й інші).  Основою  цифрових  інтегральних  мікросхем є транзисторні ключі, які здатні  перебувати  в двох стійких станах:  відкритому і закритому). Використання  транзистоних  ключів  дає  можливість  будувати  різні логічні пристрої та інші функціональні вузли, які входять до складу цифрових пристроїв і систем, що виконують складні функції (наприклад, ЕОМ).

Цифрові інтегральні мікросхеми мають ряд переваг у порівнянні з аналоговими:

         Зменшене енергоспоживання, що пояснюється використанням у цифровій електроніці імпульсних електричних сигналів. При отриманні і перетворенні таких сигналів активні елементи електронних пристроїв (транзистори) працюють у «ключовому» режимі, тобто транзистор або «відкритий», що відповідає сигналу високого рівня (лог. 1), або «закритий»– лог. 0.  На відкритому транзисторі мізерний спад напруги, через закритий транзистор протікає незначний струм, отже, в обох випадках енергоспоживання близьке до 0, на відміну від аналогових пристроїв, в яких більшу частину часу транзистори знаходяться у активній області.

         Висока завадостійкість цифрових пристроїв, що пояснюється значною відмінністю рівнів сигналів лог. 1 і лог. 0 (наприклад, 2,5…5 В і 0…0,5 В, відповідно).  До того ж, у цифрових пристроях можливе застосування спеціальних кодів, які дають змогу виправляти помилки.

        Нечутливість цифрової техніки до неминучого в інтегральній технології розкиду параметрів елементів. Така нечутливість пояснюється значним логічним перепадом сигналів високого та низького рівня та досить широким інтервал допустимих змін сигналів лог. 1 і лог. 0.

Для сумісної роботи аналогових і цифрових інтегральних схем, наприклад, під час цифрової обробки аналогової інформації, необхідна наявність аналого- цифрових та цифро-аналогових перетворювачів (Лекція № 12).

Аналогові та цифрові інтегральні схеми виготовляють серіями для спрощення побудови різноманітної електронної апаратури. Серія – це сукупність інтегральних мікросхем (від одиниць до десятків), які виконують різні функції, але мають єдину схемотехнічну і конструктивно-технологічну основу та призначені для сумісної роботи в електронній апаратурі. До складу серії цифрових схем включають логічні елементи, які не тільки створюють функціонально повну систему, але і вирізняються різноманітністю, що дає змогу мінімізувати об’єм обладнання. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакову напругу джерел живлення, значення вхідних і вихідних опорів, рівні сигналів, тобто узгоджені за електричними характеристиками.

3)      За функціональним призначенням, тобто згідно з характером функцій, що виконуються, аналогові та цифрові схеми поділяють на підгрупи і види (таблиця 4.1).

 До аналогових схем належать такі підгрупи, як підсилювачі, генератори сигналів, джерела вторинного електроживлення, багатофункціональні аналогові пристрої, фільтри, схеми порівняння та інші.

Цифрові схеми – це комутатори і ключі, логічні елементи, тригери, пристрої пам’яті, обчислювальні та цифрові пристрої, багатофункціональні цифрові пристрої та інші. Цифрова мікросхема, яка виконує складні функції процесора, отримала назву мікропроцесора. Мікропроцесор виконує в основному функції АЛУ (арифметико-логічного пристрою), а додаткові функції зв'язку з периферією виконують спеціально для цього виготовлені набори мікросхем.  Цифрова мікросхема, яка виконує складні функції процесора, отримала назву мікропроцесора. Мікропроцесор виконує в основному функції АЛУ (арифметико-логічного пристрою), а додаткові функції зв'язку з периферією виконують спеціально для цього виготовлені набори мікросхем. Для перших мікропроцесорів число мікросхем у наборах обчислювалося десятками, а тепер це набір із двох-трьох мікросхем, що одержав термін чіпсет. Мікропроцесори з вбудованими контролерами оперативної та постійної пам'яті, а також іншими додатковими функціями називають мікроконтролерами.

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

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, 

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.

Базовий логічний елемент 133 і 155 серій

Базовий елемент стандартних серій побудо­ваний за схемою рисунка 9.3.

Рисунок 9.3

На входах ЛЕ зазвичай вмикаються діоди VD1 – VD4, які обмежують амплітуду негативних завад. Замість опору R3 (рис. 9.2) до бази вихідного транзистора V5 підключений корегуючий ланцюжок R3, R4 , який дозволяє одержати СПХ за формою, близькою до прямокутної (рис. 9.4, пунктир), що забезпечує підвищення завадостійкості ТТЛ-елемента. Покажемо це.

Рисунок 9.4

У схемі ЛЕ зі складним інвертором рисунка 9.2 СПХ має нахил на ділянці АВ (рис. 9.4). При вхідній напрузі Uвих<0,7 В транзистори  V2 і V4 закриті і перебувають у РВ. Вихідна напруга 3,6 В.

Коли ж вхідна напруга досягає 0,7 В, транзистор V2 починає відкриватися, струм Ik2 і спад напруги на опорі R2 зростають. Потенціал на колекторі V2 і напруга на базі V3 (UAA3) зменшуються, і оскільки транзистор V3 працює наразі в АР як емітерний повторювач, то напруга Uвих також зменшується (ділянка АВ на СПХ рисунка 9.4).

Оскільки транзистор М4 наразі закритий, то струм IE2тече через R3. Нахил СПХ на ділянціАВ тим менший (тобто вихідна напруга зменшується зі зміною вхідної тим повільніше), чим більше буде відношення опорів R3/R2. Тому для збільшення і завадостійкості треба збільшувати опір R3.

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.

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.

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  і , 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. 

4. Тригерні схеми

Тригерні схеми широко застосовують у цифрових автоматах, до яких відносяться безпосередньо тригери, а також регістри і лічильники. 

4.1. Регістри

Регістри. Пристрій, призначений для зберігання інформації,
представленої в двійковій формі, називають регістром.
Він складається з пов'язаних один з одним тригерів, кожен з яких
служить для зберігання «О» або «1». Кількість тригерів визначає
розрядність регістра. Регістри можуть виконувати також операції
прийому, передачі і перетворення інформації, що забезпечуються
системою управління.
Залежно від виконуваних функцій регістри поділяють на паралельні
і зсувні.
На рис. 5.6,а наведено умовне позначення найпростішого
дворозрядного паралельного регістра, виконаного на RST-тригерах, а на
рис. 5.6, б показана його функціональна схема. Для запису інформації в
двійковому коді спочатку виконують операцію обнулення тригерів
шляхом подачі відповідних сигналів на всі R- і S-входи. Після цього через
S-входи здійснюють або перемикання тригерів (для запису «1»), або не
змінюють їх стану (для збереження «0»). Зчитування інформації,
укладеної в регістрі, проводиться з Q -виходів тригерів регістра.

Рис. 5.6. Умовне графічне зображення (а) і функціональна схема (б)
дворозрядного регістра

4.2. Лічильники

Цифрові лічильники імпульсів. Цифровим лічильником називають
функціональний пристрій на тригерах, що забезпечує рахунок імпульсів,
що надходять на його вхід. Результат рахунку формується зазвичай в
двійковому коді і може зчитуватися або зберігатися в тригері лічильника.
При необхідності результат зчитують після кожного рахункового імпульсу
на вході. Максимальне число, що відраховує лічильник в двійковому коді,
становить 2n-1 де n – число послідовно включених тригерів. При
відсутності обмежень на число поступаючих імпульсів лічильник через
кожні 2n імпульсів буде повертатися в вихідний нульовий стан.
Лічильники такого типу називають перерахунковими.
Цифрові лічильники можна отримати, використовуючи сукупність
найпростіших тригерних і логічних мікросхем. Є також багаторозрядні
універсальні лічильники, виконані у вигляді однієї мікросхеми високого
рівня інтеграції (наприклад, мікросхеми К155ІЕ7, К564ІЕ14 і ін.)

Класифікація лічильників. За цільовим призначенням лічильники
класифікують на наступні типи: підсумовуючі (виробляють прямий
рахунок імпульсів); віднімання (виконують зворотний рахунок від
найбільшого значення до нуля); реверсивні (застосовують як в режимах
прямого, так і зворотного рахунку).
Принцип функціонування лічильника розглянемо на прикладі
трьохразрядного лічильника, зібраного на Т-тригерах. Його умовне
позначення і функціональна схема показані на рис. 5.8, а, б. Для
обнулення лічильника (перед початком роботи) використовують
спеціальну шину Встановлення «0» (див. Рис. 5.8, б), до якої підключені
всі R-входи тригерів.

Рис. 5.8. Умовне графічне зображення (а), функціональна схема (б)
і тимчасова діаграма роботи (в) трьохразрядного лічильника
При появі рахункових імпульсів на С-вході лічильника
спостерігається послідовне перемикання кожного з взаємопов'язаних
тригерів, як показано на діаграмах рис. 5.78, в. Як видно з діаграми,
період перемикання кожного наступного тригера збільшується в два рази
в порівнянні з попереднім щим. Приписуючи Q-виходів перемикання
тригерів символ «1» (ці стани на тимчасовій діаграмі показані сірим
кольором, можна систематизувати стану лічильника, як показано в табл.
5.1.
Таблиця 5.1
Таблиця станів трьохрозрядного лічильника

Аналіз роботи лічильника. Як видно з табл. 5.1, перемикання
тригерів в стан «1» має місце при попередніх переходах попереднього
тригера від «1» до «0». Це означає, що в зазначеному режимі
формується сигнал перенесення, викликає перекидання наступного
тригера.
З табл. 5.1 слідує також, що модуль перерахунку, тобто число
станів лічильника між його обнулення, трьохрозрядного лічильника
дорівнює 23 = 8. При цьому вага першоготригера дорівнює 20, другого –
21 і третього – 22. Зазначені «ваги» показані в правій (допоміжної) зоні
умовного позначення трьохрозрядного лічильника (див. рис . 5.8, а).