В зависимости от технологии изготовления логические ИМС делятся на серии, отличающиеся набором элементов, напряжением питания, потребляемой мощностью, динамическим параметрам и др. Наибольшее применение получили серии логических ИМС, выполненные по ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) и КМОП (комплементарная МОП логика) технологиям. Каждая из перечисленных технологий совершенствовалась, поэтому в каждой серии ИМС имеются подсерии, отличающиеся по параметрам.
В ИМС, выполненных по технологии ТТЛ, в качестве базового элемента используется многоэмиттерный транзистор. Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) отличается от обычного транзистора тем, что он имеет несколько эмиттеров, расположенных так, что прямое взаимодействие между ними исключается. Благодаря этому переходы база-эмиттеры МЭТ можно рассматривать как параллельно включенные диоды.
ИМС, выполненных по технологии ТТЛ, использовался сложный инвертор с двуполярным ключом, а для исключения насыщения МЭТ применялись диоды Шотки с малым падением напряжения в прямом направлении (ТТЛШ).
Первым разработчиком ИМС по технологии ТТЛ является фирма Теха Instruments, которая выпустила ИМС серии SN74. Дальнейшие усовершенствования этой серии были направлены на повышение быстродействия и снижение потребляемой мощности. В табл. приведены серии отечественных микросхем и их соответствие различным сериям микросхем SN74/54.
Основные параметры ИМС ТТЛ различных серий приведены в табл.
Обозначения: L (low) – маломощная серия,
Н (high) – быстродействующая серия,
LS (low, Shottky) – маломощная с диодами Шотки,
S (Shottky) – с диодами Шотки,
ALS – усовершенствованная с диодами Шотки,
F (fast) – сверхбыстродействующая.
По сочетанию параметров наибольшее распространение получили ИМС серии SN74L(серия 555). ИМС этой серии работают при напряжении питания +5 В ±5%.
В ИМС, выполненных по технологии ЭСЛ, в качестве базового элемент используется дифференциальный усилитель. Упрощенная схема логического элемента ИЛИ-НЕ с дифференциальным усилителем приведена на рис.
Большое быстродействие ИМС ЭСЛ обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в ненасыщенном (линейном) режиме. На выходе элемента применяется эмиттерный повторитель, который обеспечивает быстрый заряд емкости нагрузки.
Дифференциальный усилитель выполнен на транзисторах VT1...VT3, а эмиттерный повторитель на транзисторе VT4. Выходной сигнал можно снимать с инверсного выхода ДУ, как приведено на рисунке, что обеспечивает операцию НЕ, так и с неинверсного выхода (с коллектора VT3), что обеспечивает выполнение операции ИЛИ без инверсии.
Повышение быстродействия в этих элементах достигается также ограничением перепада выходного напряжения, что связано с уменьшением помехоустойчивости
Серия и основные параметры ИМС ЭСЛ
ИМС ЭСЛ. Для ограничения перепада выходного напряжения используются источники опорного напряжения Еоп„ и смещения Eсм. Все входы дифференциального усилителя подключены через резисторы Rб к источнику питания, что позволяет неиспользуемые входы ИМС оставлять неподключенными.
Первым разработчиком ИМС по технологии ЭСЛ была фирма Motorola, которая выпустила серию ИМС МС 10000 (МС10К). Микросхемы серий 500 и 1500 имеют несколько отличающиеся напряжения питания (-5,2В и -4,5В), однако по уровням входных и выходных логических сигналов они совместимы. Напряжение логического нуля равно -1,8В, а напряжение логической единицы равно -0,9 В.
В ИМС, выполненных по технологии КМОП, в качестве базового элемента используются ключевые схемы, построенные на комплементарных МОП-транзисторах. На рис
Приведена схема логического элемента И-НЕ, выполненного по технологии КМОП. Эта схема состоит из двух групп ключей на полевых транзисторах VT1, VT2 и VT3. Каждая группа управляется одним сигналом Х1 или Х2,
Применение полевых транзисторов с изолированным затвором обеспечивает высокое входное сопротивление микросхем КМОП. Благодаря малой входной емкости и высокому сопротивлению микросхемы КМОП чувствительны к статическому электричеству. Пробой изоляции под затвором происходит при напряжении около 30В, в результате чего транзистор повреждается.
Серии логических ИМС КМОП
Защита входов ИМС КМОП осуществляется с помощью встроенных диодов или стабилитронов, подключенных к линиям питания ИМС.
Достоинствами ИМС КМОП являются малая потребляемая мощность и высокая помехозащищенность в сочетании с высоким быстродействием и нагрузочной способностью. Питание таких ИМС производится от источника напряжения +5...+15В.
Разработка первых ИМС КМОП серии CD4000 была выполнена фирмой RCA в 1968 г. Позднее эта фирма выпустила еще две серии усовершенствованных ИМС CD4000A и CD4000B. Основные серии ИМС КМОП, их отечественные аналоги и фирмы-разработчики приведены в табл. По сравнению с ИМС ТТЛ микросхемы КМОП имеют следующие достоинства:
• малая потребляемая мощность в диапазоне частот до 2 МГц (мощность в статическом режиме не превышает 1 мкВт);
• большой диапазоне напряжений питания (от 3 до 15 В);
• очень высокое входное сопротивление (больше 1 МОм);
• большая нагрузочная способность (коэффициент разветвления больше 50). К недостаткам ИМС КМОП относятся:
• большие времена задержки (до 100нс);
Основные параметры ИМС КМОП
• повышенное выходное сопротивление (до 1 кОм);
• значительный разброс всех параметров.
Уровни выходных сигналов зависят от напряжения питания.
Совершенствование технологии ИМС КМОП привело в настоящее врем тому, что характеристики наиболее быстродействующих ИМС КМОП серии 54НС практически сравнялись с характеристиками ИМС ТТЛ серии SN74T.
Основное отличие логических элементов ТТЛ от ДТЛ логических элементов состоит в том, что в ТТЛ логических элементах входные диоды заменены одним многоэмиттерным транзистором (МЭТ). В первом приближении p–n переходы база–эмиттер многоэмиттерного транзистора VT1 можно считать входными диодами как у схем ДТЛ, а переход база–коллектор многоэмиттерного транзистора, – помехозащитным диодом в базе фазоразделительного каскада. Так эта схема ТТЛ и работает при уровне логической единицы на входах A, B и C. Когда же на один из входов поступает логический ноль, многоэмиттерный транзистор VT1 становится транзистором, включенным по схеме ОБ.
При таком переходе входа многоэмиттерного транзистора из логической единицы в логический ноль транзистор фазоразделительного каскада VT2 из открытого (насыщенного) состояния переходит в закрытое, при этом накопленный в базе VT2 заряд быстро рассасывается через открытый многоэмиттерный транзистор VT1, что существенно уменьшает время переключения всего ТТЛ элемента по сравнению с ДТЛ.
Особенностью многоэмиттерного транзистора в открытом состоянии является отсутствие прямого взаимодействия эмиттеров между собой, т.к. их разделяют участки базы. Можно считать что многоэмиттерный транзистор во включенном состоянии, – это несколько транзисторов, имеющих общий коллектор.
Трехтранзисторный выходной инвертор ТТЛ, отличается от рассмотренного ранее при анализе ДТЛ логического элемента, введением диода VD1 в эмиттерную цепь верхнего транзистора VT4 двухтактного выходного каскада. Этот диод обеспечивает более надежное запирание транзистора VT4 при логическом нуле на входе логического элемента.
Развитие схемотехники ТТЛ вентиля (логического элемента) привело в основном к следующему:
1) введению антизвонных диодов (VD1…VD3 на рис. 2) на входах схемы (ведены во все сериях ТТЛ);
2) замене эмиттерного сопротивления R3 фазоразделительного каскада на генератор тока, схема которого собрана на VT6, R4, R5 (называется иногда динамической нагрузкой), который обеспечивает быстрое рассасывание накопленных зарядов в области базы нижнего транзистора VT5 выходного двухтактного каскада при закрывании этого транзистораVT5;
3) замене выходного эмиттерного повторителя верхнего транзистора VT4 выходного двухтактного каскада на составной эмиттерный повторитель на двух транзисторах VT3 и VT4, для уменьшения выходного сопротивления в состоянии логической единицы на выходе, для выравнивания этого сопротивления с сопротивлением при логическом нуле на выходе;
4) замене всех или части транзисторов логических элементов транзисторами Шоттки (Schottky) для уменьшения времени их переключения.
Комбинации 2, 3 и 4 изменений, а также значения внутренних резисторов определяют различия между сериями ТТЛ, при этом изменяются быстродействие и потребляемая микросхемами мощность.
