Базовые логические элементы | Основные элементы ЭВМ

Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.

 

 

Классификация и основные параметры

Рассмотрим наиболее широко используемую исторически сложившуюся классификацию. Она построена и с учетом того, какие электронные приборы являются основными в соответствующих интегральных схемах, и с учетом особенностей использованных схемотехнических решений.
Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):

• резисторно-транзисторная логика (РТЛ);
• диодно-транзисторная логика (ДТЛ);
• транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
• эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);
• транзисторно-транзисторная логика с диодами
  Шоттки (ТТЛШ);
• логика на основе МОП-транзисторов с каналами
  типа р (р-МДП);
• логика на основе МОП-транзисторов с каналами
  типа п (л-МДП);
• логика на основе комплементарных ключей на
  МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);

• интегральная инжекционная логика И2Л;
• логика на основе полупроводника из арсенида гал
  лия GaAs;

В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Устарела и практически не используется РТЛ. Для разрабатываемых в настоящее время устройств можно рекомендовать использовать КМОП-логику, а также логику на основе GaAs.

Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем. Серия микросхем — это совокупность микросхем, характеризуемых общими технологическими и схемотехническими решениями, а также уровнями электрических сигналов и напряжения питания.

Приведенная классификация охватывает не только собственно логические элементы, но и другие цифровые устройства, в том числе микропроцессорные. Однако здесь следует учитывать, что при производстве сложных цифровых устройств некоторые логики не использовались и не используются.

Приведем примеры серии микросхем: ТТЛ — К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ - 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, КМ555, 1533, КР1533; ЭСЛ - 100, К500, К1500; КМОП - 564, К561, 1564, КР1554; GaAs -К6500;

Каждая серия микросхем, несмотря на то, что она обычно содержит самые разнообразные цифровые устройства, характеризуется некоторым набором параметров, дающих достаточно подробное представление об этой серии. При определении этих параметров ориентируются именно на логические элементы — простейшие устройства серии микросхем. В соответствии с этим говорят о параметрах не серии микросхем, а о параметрах логических элементов данной серии.
Рассмотрим наиболее важные из параметров.

Быстродействие характеризуют временем задержки распространения сигнала tзр и максимальной рабочей частотой Fмакс. Обратимся к идеализированным временным диаграммам, соответствующим элементу НЕ (инвертору) (рис. 3.24). Через Uвх1и Uвых1обозначены уровни входного и выходного напряжений, соответствующие логической единице, а через Uвх0и Uвых0 — соответствующие логическому нулю. Различают время задержки tзр10 распространения при переключении из состояния 1 в состояние 0 и при переключении из состояния 0 в состояние 1 — tзр01,а также среднее время задержки распространения tзр, причем Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5DUвхи 0,5DUвых. Максимальная рабочая частота Fмакс — это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы.

Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу Коб и коэффициентом разветвления по выходу Краз (иногда используют термин «коэффициент объединения по выходу»). Величина Коб — это число логических входов, величина Краз — максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента. Типичные значения их таковы: Коб = 2...8, Краз = 4...10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью Краз = 20...30.

Помехоустойчивость в статическом режиме характеризуют напряжением Uист, которое называют статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента.

Важным параметром является мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний.
Важными являются также следующие параметры:

• напряжение питания;
• входные пороговые напряжения высокого и низко
  го уровня Uвх 1порог и Uвх 0порог,   соответствующие изменению состояния логического элемента;
• выходные напряжения высокого и низкого уровней

Uвых1  и  Uвых0
Используют и другие параметры.

 

Особенности выходных каскадов цифровых микросхем

Часто возникает необходимость подключения выходов нескольких цифровых микросхем к одной нагрузке. Одним из способов объединения выходов является использование в выходных каскадах микросхем транзисторов, один из выводов которых (коллектор, эмиттер, сток, исток) никуда не подключен. Такой вывод называют открытым.

Покажем схематически (рис. 3.25), как объединяются выходы микросхем с открытым коллектором. Такую схему называют «монтажным (проводным) ИЛИ».

Если открытым является коллектор транзистора п-р-п-типа, эмиттер транзистора р-п-р-типа, сток транзистора с каналом n-типа, исток транзистора с каналом р-типа, то вывод обозначают символом. Если открытым является коллектор транзистора p-n-р-типа, эмиттер транзистора n-р-n-типа, сток транзистора с каналом р-типа, исток транзистора с каналом n-типа, вывод обозначают символом.

Выходные каскады некоторых микросхем могут работать в таком режиме, когда микросхема оказывается фактически отключенной от нагрузки. Это так называемое третье (высокоимпедансное) состояние микросхемы. Использование третьего состояния является еще одним способом объединения выходов микросхем, который широко используется в вычислительной технике, при подключении к общей шине многих устройств. Приведем фрагмент схемы, поясняющей возникновение третьего состояния (рис. 3.26). Если оба транзистора закрыты, то микросхема и нагрузка фактически являются разъединенными. Наличие третьего состояния обозначают символом


При использовании в едином цифровом устройстве микросхем различных серий, и в особенности различных логик, может возникнуть проблема согласования уровней входных и выходных напряжений. Для указанных целей производятся специальные микросхемы, которые называют преобразователями уровня сигналов.

 

Особенности логических элементов различных логик

Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

 

Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик.

Элементы транзисторно-транзисторной логики. Характерной особенностью ТТЛ является использование мно-гоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзистор может моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Упрощенная схема ТТЛ-элемента приведена на рис. 3.27. При мысленной замене многоэмиттерного транзистора диодами получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения, то ток базы транзистора Т2 будет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т2 будет высокий уровень напряжения. Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу Т2 транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе транзистора Т2 будет низкий уровень напряжения, т. е.
данный элемент реализует функцию И-НЕ:
Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и

сложный инвертор (рас. 3.28). Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т4, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзистора Т3, т. е. реализуется функция И-НЕ.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).
Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29,а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.29,6. Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. Транзистор VT4 — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения ивх1 и ивх2 имеют высокий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT3 и VT4 образуют так называемый составной транзистор (схему Дарлингтона).
Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

• напряжение питания +5 В;
• выходное напряжение низкого уровня — не более
  0,4 В;
• выходное напряжение высокого уровня — не менее
  2,5 В;
• помехоустойчивость — не менее 0,3 В;
• среднее время задержки распространения сигнала —-
  20 нс;

•  максимальная рабочая частота — 25 МГц.
Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и напряжению питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.
Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального усилителя. Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, -4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT2 подано отрицательное постоянное опорное напряжение Uon. Изменение входного напряжения ивх1 приводит к перераспределению постоянного тока Iэ0, заданного сопротивлением Rэ, между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.
Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие пара
метры: напряжение питания --- -5,2 В; потребляемая мощность — 100 мВт; коэффициент разветвления по выходу
— 15; задержка распространения сигнала — 2,9 нс.

В микросхемах n-МОП и р-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.
В качестве примера рассмотрим элемент логики п-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31). Он состоит из нагрузочного транзистора Т3 и двух управляющих транзисторов Т1и Т2. Если оба транзистора T1 и Т2 закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень

напряжения. Если одно или оба напряжения и1 и и2 имеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т1и Т2 и на входе устанавливается низкий уровень напряжения, т. е. реализуется функция
Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32), Если входные напряжения имеют низкие уровни (и1 и и2 меньше порогового напряжения «-МОП-транзистора Uзипорогn), то транзисторы Т1и Т2 закрыты, транзисторы Т3 и Т4 открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно или оба входных напряжения и1 и и2 имеют высокий уровень, превышающий Uзипорогn ,  то открывается один или оба транзистора Тх и Т2, а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т3 и Т4 устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов Т3 и Т4, а следовательно, на выходе устанавливается низкое напряжение. Таким образом, этот элемент реализует функцию и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.
Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И2Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И2Л могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схе-