По разделу «цифровая схемотехника» можно оставить туже тему что и по аналоговой, но выполнить её с использованием цифровых ИМС и микроконтоллеров.
Характеристики и параметры логических элементов
В настоящее время при разработке интегральных схем (ИС) наибольшее распространение получили следующие типы логических элементов:
– транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
– транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);
– эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);
– интегрально-инжекторная логика (И2Л);
– логика на комплементарных полевых транзисторах (КМОП).
Самыми распространёнными на сегодняшний день являются ИС, реализующие ТТЛ и её разновидности. Интегральные схемы данного типа обладают средним быстродействием и средней потребляемой мощностью.
Потенциальный способ представления логического «0» и логической «1» при положительной логике :
а – инвертор: ;
б - повторитель: ;
в – логическое сложение (ИЛИ): ;
г – инверсия суммы (ИЛИ-НЕ): ;
д – логическое умножение (И): ;
е – инверсия произведения (И-НЕ):
ж – сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ, неравнозначность): ;
з – .
- уровень логического «0»;
- уровень логической «1»;
.
Динамические характеристики ЛЭ:
Время задержки ЛЭ зависит от времени задержки переднего tЗ1 и заднего tЗ2 фронтов и определяется из выражения tЗ = (tЗ1+ tЗ2).
Нагрузочная способностьЛЭ характеризует его способность получать сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов. Для численной характеристики нагрузочной способности ЛЭ используются два коэффициента:
1. n – коэффициент разветвления – характеризует количество выходов для элементов данной серии, которые могут быть подключены к одному выходу. Для ТТЛ n=10. Нагрузочная способность элемента характеризуется его выходным сопротивлением RВЫХ.
2. m – коэффициент объединения – характеризуется количеством входов данного логического элемента (от двух и более).
Различают следующие статические характеристики ПЛЭ:
1. IВХ = f(UВХ) – входная характеристика элемента, характеризующаяся входным сопротивлением логического элемента. Сопротивление RВХразлично при подаче низкого и высокого уровней сигнала обычно при высоком уровне сигнала RВХ больше.
2. UВЫХ = f(IВЫХ) – нагрузочная (выходная) характеристика. Её угол наклона определяется выходным сопротивлением ЛЭ.
Логическая «1» соответствует уровням от E1МИН до .
Логический «0» соответствует уровням от до E0МАКС.
Участок АВ – соответствует зоне отсечки ключа, CD – насыщению, ВС – переходная область (активный режим, ). Чем круче участок ВС, тем выше качество ЛЭ.
Пороговый уровень нуля на входе UП0 характеризует максимально возможный входной сигнал (UВХ>UП0), а пороговый уровень «1» – UП1 характеризует минимальный входной сигнал (UВХ>UП1).
Термин помехоустойчивость используется для обозначения максимального уровня помехи, которая, будучи добавлена к логическому сигналу при самых неблагоприятных условиях, не будет еще приводить к ошибочной работе схемы.
Помехоустойчивость ЛЭ при передаче «0» на входе ΔUП0 определяется выражением с учётом наихудшего случая: ΔUП0=UП0–E0МАКС, где E0МАКС – максимальный уровень «0» элементов данной серии
Помехоустойчивость ЛЭ при передаче «1» определяется аналогично: ΔUП1 = E1МИН – UП1.
Помехоустойчивость ЛЭ определяет максимально возможное значение аддитивной помехи на входе ЛЭ, которое не приводит к переключению элемента в другое состояние (или неопределённое). Помехоустойчивости ΔUП0 и ΔUП1 различны, имеют значения порядка от долей до 1В для ТТЛ ЛЭ.
Быстродействие ЛЭ серий ИС ТТЛ в основном определяется инерционными свойствами применяемых биполярных транзисторов и нагрузки. Инерционность, обусловленная параметрами нагрузки, зависит от конкретной схемы и конструктивного выполнения логического устройства. Инерционность, связанная с собственно частотными свойствами ЛЭ, может быть уменьшена изменением схемотехники и режимов работы самого элемента.
2. Транзисторно−транзисторная логика (ТТЛ).
Характерной особенностью ТТЛ являются многоэмиттерные транзисторы. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзистор может моделироваться схемой на диодах (пунктир), в этом случае он работает как схема диодно-транзисторной логики И-НЕ.
К достоинствам ТТЛ-логики можно отнести: высокое быстродействие (10 нс), надежность, радиационную стойкость.
Недостатками являются: наличие резисторов, большая площадь на кристалле, большая потребляемая мощность, наличие паразитных транзисторов.
Если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения, то ток базы транзистора VT2 будет равен нулю, и на коллекторе транзистора VT2 будет высокий уровень напряжения. Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу VT2 транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе транзистора VT2 будет низкий уровень напряжения, т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ.
Элементы с тремя состояниями и с открытым коллектором. Вентили ТТЛ и КМОП имеют двухтактные выходные схемы: ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ уровень подается на выход через открытый биполярный или МОП-транзистор. Такую схему, которая носит название активной нагрузки, а в ТТЛ называется также столбовым выходом, используют почти все логические элементы. Эта схема обеспечивает низкое выходное сопротивление в обоих состояниях, имеет малое время переключения и обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с одиночным транзистором, который использует в качестве коллекторной нагрузки пассивный резистор.
Представим себе вычислительную систему, в которой должны обмениваться данными несколько функциональных блоков. Центральный процессор (ЦП), память, а также различные периферийные устройства должны иметь возможность передавать и принимать 16-разрядные слова, и было бы, мягко говоря, неудобно использовать для соединения каждого устройства с каждым индивидуальный 16-жильный кабель.
Для решения этой проблемы используется так называемая шина (или магистраль) данных (data bus), т. е. один 16-жильный кабель, доступный для всех устройств. Такая структура аналогична телефонному каналу коллективного пользования: в каждый момент времени «говорить» («передавать данные») может только одно устройство, а остальные могут только «слушать» («принимать данные»).
В выходной схеме вентиля с открытым коллектором отсутствует транзистор, являющийся активной нагрузкой (рис. 18.10).
Иногда возникает необходимость логического объединения выходов очень большого числа элементов. Например, для объединения 20 выходов потребовалось бы использовать логический элемент с 20 входами и вести к нему 20 отдельных проводов. Этого можно избежать, используя логические элементы с открытым коллектором. В качестве выходного каскада они содержат эмиттер которого соединен с общей точкой. Выходное напряжение имеет высокий уровень только тогда, когда все выходные транзисторы элементов заперты, следовательно, здесь реализуется функция ИЛИ. Так как логическая связь организуется с помощью внешнего монтажа, такое соединение условно называется «монтажное ИЛИ».
Рисунок 18.11 Реализация функции «монтажное ИЛИ»
Однако такая схема имеет существенный недостаток: переход в высокоомное (единичное) состояние из-за паразитных емкостей происходит всегда медленнее, чем в низкоомное (нулевое). Поэтому вместо элементов с открытым коллектором лучше использовать элементы с трехстабильным выходом. Они содержат обычный двухтактный выходной каскад, который, однако, может быть переведен в особое высокоомноесостояние (высокоимпедансное состояние или обрыв). Для управления выходным каскадом служит специальный вывод – разрешение выдачи данных.
18.4. Транзисторно−транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)
Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки). Скорость переключения транзистора определяется в основном временем рассасывания накопленных зарядов. Для повышения максимальной частоты переключений необходимо предотвратить насыщение транзистора. Благодаря этому накопление заряда исключается.
Один из способов устранения насыщения состоит в том, что параллельно переходу коллектор-база транзистора включается диод Шоттки В случае открытого транзистора он из-за действия отрицательной обратной связи по напряжению препятствует снижению напряжения между коллектором и эмиттером ниже уровня, равного приблизительно 0,3 В. Эта структура используется в схемах ТТЛ с диодами Шоттки. Благодаря этой структуре, время задержки распространения сигнала уменьшается почти в три раза.
;
;
;
;
;
;
.
- уровень логического «0»;
- уровень логической «1»;
.
). Чем круче участок ВС, тем выше качество ЛЭ.
