Принципы схемотехники цифровых интегральных схем.

Согласно булевой алгебре любую сколь угодно сложную логическую функцию можно выразить с помощью набора простейших функций, называемого функционально полным или логическим базисом. Минимальными логическими базисами могут быть наборы: И и НЕ, ИЛИ и НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. Это положение явилось основой для важного принципа проектирования, согласно которому почти все цифровые ИС в составе одной серии выполняются на едином логическом элементе, называемом базовым и реализующим чаще всего операцию И-НЕ или ИЛИ-НЕ. В ряде случаев в роли базового элемента выступает инвертор. Соединяя определенным образом несколько инверторов, получают элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.

Базовый логический элемент (БЛЭ) имеет единую принципиальную и топологическую схемы. В этом смысле он представляет собой тот простейший "кирпичик", из которого складываются "здания" − все другие цифровые ИС. Отсюда следует, что электрические параметры и свойства всех ИС в одной серии однозначно определяются параметрами и свойствами базового логического элемента.

Другой схемотехнический принцип для цифровых устройств обусловливается свойством двойственности логических элементов и может быть сформулирован так: любое цифровое устройство можно строить только на элементах И-НЕ или только на элементах ИЛИ-НЕ без изменения функциональных связей между ними. Различие проявится лишь в том, что логические уровни напряжения на всех входах и выходах будут противоположными. Таким образом, нет необходимости рассматривать правила построения цифровых ИС и устройств отдельно на ЛЭ И-НЕ и отдельно на ЛЭ ИЛИ-НЕ. Они едины.

Потенциальное кодирование предопределило ещё один принцип схемотехники цифровых ИС − ключевой режим работы их активных элементов. При таком режиме токи и напряжения в электрических цепях определяются в основном напряжениями источников питания и сопротивлениями резисторов и слабо зависят от параметров транзисторов и диодов. Легко получаемая при ключевом режиме значительная разница и стабильность логических уровней выходного сигнала обеспечивают достаточно высокую помехоустойчивость и функциональную надежность цифровых ИС. Ключами обычно служат усилительные каскады с общим эмиттером и общим истоком и дифференциальные усилители. Все они работают в режиме большого сигнала с ограничением, т.е. отсечкой и полным отпиранием транзисторов.