3. Технологии и типовые элементы для обработки дискретной информации

Элементы для обработки дискретной информации делятся на две большие группы: комбинационныелогические схемы(КЛС) ипоследовательностныесхемы. У КЛСвыходной сигнал определяется входом, у последовательностных схем – выход определен входом и со- стоянием схемы. Входов и выходов может быть несколько, говоря обобщенно вход или вы- ход, мы подразумеваем некоторый вектор X или Y. КЛС – это группа логических вентилей, в основе которых основные логические операции НЕ, И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и их соче- тания. Последовательностная схема образуется введением в КЛС обратных связей, так что КЛС является и основой их построения. Здесь мы повторим основы построения КЛС, необ- ходимые нам для их грамотного использования.

Интегральная схемотехника лишь тогда смогла добиться потрясающих результа- тов, когда смогла освободиться от инерции схемотехнических решений на дискретных компонентах. Впервые схемотехники поверили в нее, когда появилась транзисторно- транзисторная логика ТТЛ и соответствующая ей технология производства - ТТЛ техно- логия.

А. Транзисторно-транзисторная логика ттл и транзисторно- транзисторная логика с диодами Шоттки.

Основу ТТЛ составляет многоэмиттерный транзистор (рис.2.27) – элемент, не слишком нужный в качестве отдельного дискретного компонента. Если на обоих входах

R1 R2

+5V +

Iб2

Х1 и Х2 высокий уровень, ток, протекающий через резистор R1 и базово-эмиттерный пере- ход транзистора VT1 попадает в базу транзи-

VT1

_Y б)

стора VT2 (рис.2.27,а). На рис. 2.27,б),в) пока-

^X1 VT2 ⁺

X2

а) в)

Рис. 2.27.

Iб2

зан диодный эквивалент многоэмиттерного транзистора VT1. Транзистор VT2 оказывается открыт и входит в состояние насыщения. На его коллекторе формируется низкий уровень (менее 0.6В, уровень нуля), т.к. все напряже- ние при протекании коллекторного тока пада-

ет на резисторе R2. Как только на одном из входов появляется низкий уровень (рис.2.27,б), ток начинает протекать через соответствующий эмиттерный переход (типо- вое значение тока – 0.25мА). Ток базы транзистора VT2 пропадает и он закрывается. Ди- одный эквивалент на полностью характеризует работу многоэмиттерного транзистора. При появлении тока Ix1 открывается и многоэмиттерный транзистор и база VT2 замыка- ется с землей. За счет этого напряжениенаколлекторе возрастает практически до питания (уровень единицы). В таблице истинности приведены соответствующие схеме по рис. 2.27 значения входов X1, X2 и выхода Y. Как видим, получился элемент И-НЕ.

X1	X2	Y
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Реальная схема ТТЛ элемента конечно сложнее. Нужно повысить нагрузочную способность выхода. В нуле коллектор транзистора VT2 способен принять достаточно большой ток (10 мА и более), а вот в единице выходящий ток создает заметное падение напряжения на резисторе R2. Уменьшение R2 приведет к перегрузке выходного транзи- стора. Поэтому добавляют еще один каскад из двух синфазно работающих транзисторов (один открыт, второй закрыт).

Представленная на рис. 2.27 схема ТТЛ элемента, несмотря на упрощения, отража- ет основные свойства этой логики:

• входы не потребляют, а отдают ток;

• выход в нуле потребляет ток, причем, нагрузочная способность может быть достаточно высока;

• в единице выход выдает ток, причем, нагрузочная способность ниже, чем в нуле;

• в нуле выходной каскад находится в состоянии глубокого насыщения.

Схема и технология ее реализации достаточно просты, а топология не может быть компактной. Почему же по ТТЛ технологии делают только схемы малой степени интегра- ции? Все дело в рассеиваемой на элементе мощности. Она слишком велика. Для обеспе- чения высокого быстродействия требуются большие токи, чтобы быстро вывести транзи- сторы из состояния глубокого насыщения, когда напряжения на коллекторах становятся меньше, чем на базах.

ТТЛШ логика не позволяет транзисторам входить в состояние глубокого насыще- ния благодаря тому, что коллекторно-базовый переход шунтирован диодом Шоттки. Ра- нее мы упоминали о таких диодах, это диод на переходе металл - низколегированный по- лупроводник. Если на топологии биполярного транзистора распространить металлизацию базы на коллекторную зону, такой диод получится автоматически, т.е. база замкнется с коллектором диодом Шоттки. Этот диод имеет малое падение напряжения в прямом на- правлении и не позволяет на коллекторе иметь напряжение ниже базового более чем на 0,3В, т.е. ограничивает состояние насыщения транзистора. Имеется три семейства ТТЛШ вентилей: быстродействующая (531 серия - при том же потреблении, что и ТТЛ имеет примерно втрое меньшие времена переключения), экономичная (555 серия - при том же быстродействии потребление вчетверо меньше) и улучшенная (серия 1533 - большее бы- стродействие и втрое - четверо меньшее потребление). Типовое время переключения се- рии 1533 – наиболее распространенной сейчас ТТЛШ серии – около 10 – 15 нс. Она явля- ется аналогом зарубежной серии ALS.

Б. МОП-логика

Исторически первыми появились р-МОП БИС. На таких схемах были в 70-х годах сделаны первые микропроцессорные комплекты С5-11 и одноплатные отечественные микроЭВМ, по сути – прообразы современных микроконтроллеров. Основной недостаток такой логики – сравнительно малое быстродействие, поскольку носителем заряда являют- ся дырки. На смену им быстро пришла n-МОП логика. Начало 70-х. Первый микропро- цессор Intel 8008, затем Intel 8080, отечественный аналог – микропроцессорный комплект К580 – все это первые n-МОП БИС. Для своего питания эти схемы требовали не одного, а целый набор напряжений +5В, ±12В, причем подаваться они должны были в определен- ной последовательности. Но частоты уже были в пределах нескольких мегагерц. Чуть позже были разработаны и выпущены улучшенные n-МОП серии, требующие единствен- ного пятивольтового питания. Сейчас n-МОП – основная технология выпуска недорогих БИС общего применения.

T1 T2 Y

X1 _T3

X2 T4

Рис. 2.28.

Комплементарная k-МОП логика и k-МОП технология опери- рует ужеполевымитранзисторами с каналами«p» и «n» типа. Харак- терной особенностью этих приборов является практически нулевое потребление, если схема находится в состоянии покоя и не переклю- чается. Частоты работы на уровне n-МОП. На рис. 2.28 показана уп- рощенная схема элемента И-НЕ, функциональный аналог приведен- ной на рис. 2.27 схемы. Чтобы перевести выход Y в состояние логи- ческого нуля (напряжение менее 0,8В) следует открыть оба транзи- стора Т3 и Т4, для чего следует подать единицы (напряжение более

+V/2) на на оба входа Х1 и Х2. При этом оба транзистора Т1 и Т2 закроются. При снятии высокого уровня хотя бы с одного их входов, закроется соответствующий n-канальный

80

транзистор и откроется комплементарный ему р – канальный. Выход перейдет в состояние логической единицы и напряжение на нем будет близко к напряжению питания +V.

Выход реальной k-МОП логики симметричен относительно питания и представляет собой комплементарную пару МОП транзисторов. В нуле открыт n, а в единице р - ка- нальный, поэтому нагрузочная способность этой логики, в отличие от ТТЛ и ТТЛШ, оди- накова и весьма велика.

Долгое время k-МОП логику преследовал эффект тиристорного защелкивания. Иногда, чаще всего при включении питания, оказывались открыты оба выходных транзи- стора и схема скоропостижно перегорала. Сейчас с тиристорным эффектом покончено и отечественные схемы серии 1554 являются k-МОП аналогами серии ТТЛШ 1533, но име- ют более высокую нагрузочную способность, равные принимаемые токи в нуле и выда- ваемые в единице, менее критичны к питанию, но немного дороже. Серия 1554 является технологическим аналогом зарубежной серии 74АС.

Существуют и иные технологические серии ИС – эмиттерно-связанная логика, ин- тегральноинжекционная логикаи пр. Но для анализа и разработкисистемавтоматическо- го управления заказчику САУ достаточно на примере ТТЛШ и k-МОП серий знать об особенностях входов и выходов. Необходимые сведения обобщены в таблице.

Состояние	Вход ТТЛШ	Выход ТТЛШ	Вход k-МОП			Выход k-МОП
Ноль	Выдает около 200 мкА	Принимает около 20 мА	Потребление ло	ма-	Принимает около 40 мА
Единица	Принимает около 200 мкА	Выдает около 1 мА	Потребление ло	ма-	Выдает около 40 мА