Основні теоретичні відомості

Логічні елементи (ЛЕ) в інтегральних мікросхемах (ІМС) виготовляють на базі напівпровідникових транзисторів і діодів. Класифікують ЛЕ в основному за типом цих елементів і зв’язків між ними. ЛЕ розподіляють на: діодні ЛЕ (ДЛ), діодно-транзисторні ЛЕ (ДТЛ), транзисторно-транзисторні ЛЕ (ТТЛ), емітерно-зв’язані ЛЕ (ЕЗЛ), ЛЕ на польових транзисторах (МДНЛ), ЛЕ з інжекційним живленням (ІЖЛ). Найбільше розповсюдження на даний час мають останні чотири типи логічних елементів. Тому розглянемо принцип побудови і роботи тільки цих ЛЕ.

Основними параметрами ЛЕ є: статична характеристика передачі, рівні напруг лог. 0 та лог. 1 на вході і виході ЛЕ, значення перепаду напруг лог. 0 та лог. 1 на виході, порогові рівні напруг лог. 0 та лог. 1, коефіцієнт об’єднання за входом, коефіцієнт розгалуження за виходом, допустима напруга статичної завади, середня затримка розповсюдження, споживана потужність, робота перемикання.

Транзисторно-транзисторні логічні елементи (рис. 2.1) виготовляють тільки зі складним інвертором. Мета його застосування полягає в тому, щоб зробити вихідний опір елемента малим як в стані лог. 0 так й у стані лог. 1.

На вході схеми встановлено багатоемітерний транзистор VТ_б, розроблений спеціально для застосування в ЛЕ ТТЛ. Кількість емітерів цього транзистора визначає кількість входів ЛЕ. Складний інвертор утворюють транзистори VT₁–VT₃і діод зміщення VD_зм.

Розглянемо роботу елемента на рис. 2.1. Якщо на всі входи транзистора VТ_б подано лог. 1, то емітерні переходи будуть закриті, а колекторний перехід — відкритий, тоді багатоемітерний транзистор працюватиме в активному інверсному режимі: емітери працюють як колектор, а колектор - як емітери. Тоді буде протікати струм по колу +Ek, резистор R₀, база-колектор транзистора VТ_б, база-емітер транзистора VT₁, резистор R_е, –Ek. Транзистори VT₁ і VT₃ перебувають в насиченому стані. Транзистор VT₂ при цьому буде в стані відсічки. Це забезпечується наявністю діода зміщення VD_зм. В такому випадку напруга на виході ЛЕ є малою і відповідає напрузі лог. 0.

Рисунок 2.1 – Схемотехніка елементів ТТЛ

Якщо на один або декілька входів ЛЕ подано лог. 0, то відповідні емітерні переходи транзистора VТ_б будуть відкриті. Багатоемітерний транзистор VТ_б тоді перебуває в режимі прямого підключення і знаходиться в стані насичення, напруга на його колекторі відносно корпусу мала і транзистори VT₁ і VT₃ будуть в стані відсічки. Високий потенціал колектора VT₁ забезпечить переведення транзистора VT₂ у стан насичення. В такому випадку напруга на виході ЛЕ є високою і відповідає напрузі лог. 1.

Описаний вище елемент є ЛЕ І-НЕ. З метою реалізації функції логічного додавання у вказаний елемент добавляють вузол розширення по АБО (елементи обведені пунктирною лінією на рис. 2.1).

Швидкодія ЛЕ обмежується інерційністю транзисторів і процесами зарядження і розрядження ємностей навантаження і паразитних ємностей транзисторів схеми. У різних серіях ІМС швидкодія ТТЛ-елементів характеризується значенням середньої затримки розповсюдження від 10 до 50 нс.

Застосування діодів і транзисторів Шоттки в ТТЛ-елементах дозволяє підвищити швидкодію роботи цих ЛЕ без збільшення споживаної потужності або знизити споживану потужність збільшенням опору всіх резисторів без зниження швидкодії. ТТЛ-елементи з діодами і транзисторами Шоттки називають ТТЛШ-елементами.

Спрощену схему логічного елемента ЕЗЛ показано на рис. 2.2. Схема містить перемикач струму, який складається з паралельно підключено трьох транзисторів VT₁⁽¹⁾, VT₁⁽²⁾, VT₁⁽³⁾, на які подаються вхідні сигнали керування х₁, х₂, x₃, а також емітерні повторювані на транзисторах VT₃ і VT₄.

Емітерний струм I_е протікає через ліве або праве плече перемикача і визначається в основному значенням опору R_е обраного достатньо великим. Тому значення струму Iе під час проходження його через ліве плече мало залежить від того, чи відкритий один із транзисторів VT₁, два з них або всі три. Тому достатньо подати сигнал лог. 1 на один із входів, наприклад х₁=1, як ліве плече відкривається, а транзистор VT₂ закривається. При цьому вихідні сигнали будуть y₁=0, y₂=1. І тільки при х₁=х₂=х₃=0 струм із лівого плеча перемикається в праве і на виходах буде у₁=1, у₂=0.

Отже, цей тривходовий ЛЕ по одному виходу виконує операцію АБО-НЕ

а по іншому — операцію АБО

Рисунок 2.2 – Логічний елемент ЕЗЛ

В основі ЛЕ на польових транзисторах лежать КМДН‑транзисторні ключі, утворені двома МДН‑транзисторами різного типу провідності (рис. 2.3).

Логічний елемент АБО-НЕ реалізується за допомогою двох КМДН-ключів шляхом паралельного вмикання n‑канальних транзисторів і послідовного вмикання p‑канальних транзисторів. На рис. 2.3, а зображено електричну схему двовходового елемента АБО-НЕ.

Якщо на входи подано напруги низьких рівнів, тобто х₁=х₂=0, то транзистори VT₁⁽¹⁾ і VT₁⁽²⁾ закриті, а транзистори VT₂⁽¹⁾ і VT₂⁽²⁾ відкриті. Тоді напруга на виході буде високого рівня у=1.

З подачею лог. 1 хоча б на один із входів (наприклад, х₁=1) транзистор VT₁⁽¹⁾ відкривається, а транзистор VT₁⁽²⁾ закривається. Напруга на виході буде низького рівня у=0.

Логічний елемент І-НЕ будують аналогічно, тільки p‑канальні транзистори підключають паралельно, а n-канальні — послідовно (рис. 2.3, б).

Якщо х₁=х₂=1, то транзистори VT₁⁽¹⁾ і VT₁⁽²⁾ відкриті, а VT₂⁽¹⁾ і VT₂⁽²⁾ закриті. Напруга на виході близька до нуля, тобто у=0. Коли хоча б на один вхід подано лог. 0, наприклад, х₁=0, то транзистор VT₁⁽¹⁾ закривається, а VT₂⁽¹⁾ відкривається. При цьому напруга на виході буде високого рівня у=1.

а) б)

а — ЛЕ АБО-НЕ; б — ЛЕ І-НЕ

Рисунок 2.3 – ЛЕ на польових транзисторах

Головна перевага КМДН ЛЕ полягає у малій потужності споживання енергії від джерела струму в статичному режимі. Але ЛЕ КМДН належать до елементів низької швидкодії, з частотою перемикання не більше 5 МГц.

ЛЕ з інжекційним живленням (І²Л). Спрощена схема таких ЛЕ показана на рис. 2.4.

а) б)

в) г)

а — ЛЕ АБО-НЕ, б — ЛЕ АБО, в — ЛЕ І, г — ЛЕ І-НЕ

Рисунок 2.4 – ЛЕ І²Л

Елементи І²Л відрізняються дуже малою споживаною потужністю і великою швидкодією. ІМС на базі ЛЕ І²Л виготовлюють з високим рівнем інтеграції. Тому ЛЕ І²Л переважно використовують для створення мікропроцесорів.

Завдання для самостійної підготовки

Засвоїти теоретичний матеріал згідно з такими питаннями.

1 Класифікація логічних елементів залежно від типу логіки.

2 Основні параметри логічних елементів.

3 Схемотехніка ЛЕ ТТЛ, ЕЗЛ, КМДН, І²Л.