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

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

Номер серії елементів ЕЗЛ	tР, нс	РСС, мВт	АП, пДж
К1500	0,75

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.