Методика проектирования и2л схем.

Для того, чтобы спроектировать сколь угодно сложное устройство в базисе И²Л, необходимо взять МКНФ функции. Затем взять двойное почленное отрицание и раскрыть внутреннее.

Монтажное И реализуется только тогда, когда аргументы снимаются с выходов инжекционных инверторов.

Лекция 9

Реализация функции И-НЕ в биполярной схемотехнике.

ДТЛ – диодно-транзисторная логика.

Докажем, что эта схема реализует эту функцию.

Логика – Л+.

А	В	D1	D2	D3	D4	T	вых
0	0	отк.	отк.			зак.	Е	1
0	1	отк.	зак.			зак.	Е	1
1	0	зак.	отк.			зак.	Е	1
1	1	зак.	зак.	отк.	отк.	нас.	Uкэн	0

Вывод: Схема ДТЛ может содержать один или больше диодов сопряжения.

Достоинства и недостатки ДТЛ.

Недостатки:

• Очень большая мощность

• Большая задержка

• Много транзисторов, поэтому большая площадь

Достоинство

• Большая помехоустойчивость

Если п/п области различных компонентов имеют одинаковый потенциал, то их можно объединить в одну область.

Результатом оптимизации является многоэмиттерный транзистор ТТЛ.

Схема ТТЛ с простым инвертором.

Логика – Л+.

A	B	МЭТ	Т	выход
0	0	б-э1 отрыт б-э2 отрыт	E1R1 закрыт	n=0 E	1
0	1	б-э1 отрыт б-э2 зарыт	закрыт	E	1
1	0	б-э1 зарыт б-э2 отрыт	закрыт	E	1
1	1	б-э1 зарыт б-э2 зарыт	насыщен	Uкэн (0.1  0.2 В)	0

Достоинства и недостатки ТТЛ с простым инвертором.

В сравнении с ДТЛ:

Достоинства:

• Маленькая площадь

• Маленькая мощность

• Маленькая задержка

Недостатки:

• Низкая помехоустойчивость

Объективно:

Недостатки:

• Низкая помехоустойчивость

Топология.

Существует паразитный транзистор p¹ – n² – p³

p1 – база

n2 – коллектор

p3 – Gound

Модификации ТТЛ с простым инвертором.

1.

ТТЛ с открытым коллектором. Данная схема используется для реализации дополнительных логических функций.

2.

3.

4.

5.

Эта схема не требует нагрузки.

U₁ = E – 2U_D – IR

t = 1.1 + IR + 2U_D

Лекция 10

Синтез комплиментарной схемы ТТЛ с простым инвертором.

F_св1 = (1, 2, 3, 4, 5, 6)

F_св2 = (1, 2, 3, 4, 5, 6)

Класс ТТЛ с простым инвертором.

Недостатки:

• n = 3  4

• есть сопротивление

• есть паразитный транзистор

• низкое быстродействие

Достоинства:

• с ДТЛ кроме U_п

Класс ТТЛ со сложным инвертором.

Логика – Л+.

Т1 выполняет функцию U.

Т₂ и Т₃ обеспечивают запас помехоустойчивости.

Диод D используется для запирания транзистора Т₄, когда на выходе “0”.

Т3, Т4 – пара антагонистов. Они увеличивают быстродействие, когда Т₃ закрыт и на выходе “1”. В этом случае выходное сопротивление определяется сопротивлением Т₄.

А	В	Т1	Т2	Т3	Т4		выход
0	0	б-э1 – отк б-э2 – отк	закрыт	закрыт	открыт	1	U = E-IR2-Uбэ4-UD > U0+Uл
0	1	б-э1 – отк б-э2 – зак	закрыт	закрыт	открыт	1	U = E-IR2-Uбэ4-UD
1	0	б-э1 – зак б-э2 – отк	закрыт	закрыт	открыт	1	U = E-IR2-Uбэ4-UD
1	1	б-э1 – зак б-э2 – зак	насыщен	насыщен	закрыт	0	U = Uкэн = 0.1 0.2 В

Достоинства:

• малое время задержки -  = 10 нс.

• высокая нагрузочная способность n > 30  40

• большой запас помехоустойчивости

Недостатки:

• много компонентов

• есть сопротивление

• большая мощность

• большая площадь

Передаточная характеристика.

Как видно из графика – передаточная характеристика неидеальная. Неидеальная передаточная характеристика может привести к нелогичной работе всего устройства.

Лекция 11

Модификации схемы ТТЛ со сложным инвертором (варианты оптимизации).

1. Схема отличается от стандартной тем, что диод из эмиттерной цепи Т₄ перенесен в базовую.

Для исправления передаточной характеристики используется схема оптимизации 2.

2. В этой схеме вместо сопротивления R₃ используется ключ R₃-R₅-T₅. Транзистор Т₃ открывается только тогда, когда будет открыт не только Т₂, но и Т₅. А Т₂ и Т₅ открываются одновременно. Фактически, Т₂-Т₅ – это как бы единый транзистор.

3. Оптимизация нагрузочной способности.

- нагрузочная способность

Быстродействие здесь становится немного хуже, т.к. емкость увеличивается.

Транзисторы Т₄-Т₅ составляют пару Дарлингтона.

Улучшение быстродействия схемы ТТЛ со сложным инвертором.

Алгоритмы улучшения:

1. быстро уменьшать заряды Q₂, Q₃

или

2. не накапливать эти заряды.

4. Использование медленного диода.

При подаче запирающего напряжения диод еще открыт.

Const = Q = t * I_p

I_p – ток рассасывания

Медленный диод формирует низкоомный путь для рассасывания Q₃.

5.

Данный вариант способствует уменьшению Q₃.

Q₃   t_p

t_p – время рассасывания.

6. Использование диодов Шоттки.

Диоды Шоттки формируют низкоомный путь для отвода Q₃ из базы насыщенного транзистора Т₃.

7. Схема, в которой Q₂=Q₃=0 в режиме насыщения.

Q_i=0

t_ТТЛШ = 3 нс

t_ТТЛ = 10 нс

Лекция 12

Стандартная ТТЛ Шоттки.

Достоинства:

• min t

• max n

• max U_п

Недостатки:

• S

• k_R  P * t

• U_кэн = 0.4  0.5 В

ТТЛ с расширителем И-ИЛИ-НЕ.

- на выходе.

Здесь может быть шесть расширителей (определяется режимом работы и задержки).

Расширитель:

Пример:

F = (0, 3, 5, 7, 11, 13, 15)

ТТЛ с тремя состояниями.

В БИС у простых ТТЛ существуют проблемы.

Для устранения этой проблемы используют схему ТТЛ с тремя состояниями.

x	A	B	T1	T2	T3	T4	T5	выход
0	0	0					закрыт	1
0	0	1					закрыт	1
0	1	0					закрыт	1
0	1	1					закрыт	0
1	0	0			закрыт	закрыт	насыщен	
1	0	1			закрыт	закрыт	насыщен	
1	1	0			закрыт	закрыт	насыщен	
1	1	1			закрыт	закрыт	насыщен	

Лекция 13

Эмиттерно Связанная Логика - ЭСЛ.

МЭСЛ (маломощная ЭСЛ)

Логика – Л+

x < Eоп	x	Выход 1		Выход 2		Uбэ1 < Uбэ2
	0		1		0
	1		0		1

В данном случае – относительно положительная логика.

То, что немного больше Е_оп – это логическая единица, меньше – ноль.

Зависимую функцию ИЛИ можно реализовать, включив вместо транзистора Т₁ параллельно транзисторы Т₁¹ и Т₁².

Достоинства:

• Функционально полный базис

• Маленький логический перепад

Недостатки:

• Маленькая помехоустойчивость

• Есть сопротивления

• R_вых = [кОм]  большое время задержки

С =  ~ (R_вых * C_п)

Чтобы уменьшить R_вых и уменьшить задержку, надо к выходу подключить эмиттерный повторитель.

// Пометим эту схему (*****)

Эмиттерные повторители на выходе позволяют реализовать дополнительную функцию ИЛИ.

С	D	T1	T2	выход
0	0	закрыт	закрыт	0	0
0	1	закрыт	открыт	IR	1
1	0	открыт	закрыт	IR	1
1	1	открыт	открыт	IR	1

Пример:

Вывод: использование эмиттерных повторителей в ЭСЛ дает два преимущества.

1. увеличение быстродействия за счет уменьшения входного сопротивления

2. реализацию дополнительной логической функции монтажное ИЛИ (параллельное соединение эмиттерных повторителей)

Существует и недостаток у этих схем – это два источника напряжения. Поэтому наша задача – уменьшить количество источников питания.

Использование схемы опорного напряжения.

Вставляем этот кусочек в схему (*****) и получаем:

Т.к. в точке N имеется встречное включение одинакового количества p-n переходов, то любое изменение температуры будет компенсировано.

Схема ЭСЛ с отрицательным питанием.

Недостаток схемы с положительным питанием заключается в том, что напряжение логического нуля и единицы определяются в зависимости от Е.

U¹ = (Е  Е) – I_R1R₁ – U_бэ

U⁰ = (Е  Е) – I_R2R₂ – U_бэ

I_R1 = 0.01I

I_R2 = 0.99I

У источника питания существует разброс, как логический, так и температурный.

Е  Е

Замечательный метод.

Если из всех узловых потенциалов схемы вычесть некоторую константу, то работа схемы не изменится.

Для схемы с отрицательным питанием U⁰ и U¹ будет определяться так:

U¹ = 0 – I_R1R₁ - U_бэ

U⁰ = 0 – I_R2R₂ - U_бэ

0 = Ground

Лекция 14

Схемотехника МОП вентилей. МОП инвертор.

Чем больше U_пор, тем выше запас помехоустойчивости схем.

U_пор формирует питание элемента.

1.

2.

3.

Рассмотрим схему 1.

x	T1	T2	выход		Прим.
0	Нет канала, закрыт по U	Есть канал, открыт по U	~E	1
1	Есть канал, открыт по U	Есть канал, открыт по U		0	G1 >> G2

Схема 2 – это инвертор, у которого каналы нагрузочного транзистора управляются каналом. Этот инвертор с улучшенным быстродействием, с наименьшей задержкой.

Схема 3 – схема с улучшенной мощностью.

Достоинства:

• высокий запас помехоустойчивости

• маленькая потребляемая мощность

• стоимость много меньше, чем у биполяров

Недостатки:

• большая задержка (плохое быстродействие)

• неустойчив к радиации

• разные топологии транзисторов (логического и нагрузочного)

МОП вентиль И-НЕ.

А	В	Т1	Т2	Т3	Выход		Прим.
0	0	закрыт	закрыт	открыт	Е	1
0	1	закрыт	открыт по U закрыт по I	открыт	Е	1
1	0	закрыт по току	закрыт	открыт	Е	1
1	1			открыт	 ground	0	G3 << (G1+G2)

Недостаток схемы: Напряжение питания зависит от количества аргументов.

МОП вентиль ИЛИ-НЕ.

Т₁-Т₂ – логическая часть

Т₃ – нагрузочная часть

А	В	Т1	Т2	Т3	Выход		Прим.
0	0	закрыт	закрыт	открыт	Е	1
0	1		открыт	открыт	~0 B	0	Если R2 <<R3
1	0	открыт		открыт	~0 B	0	R1 << R3
1	1	открыт	открыт	открыт	~0 B	0	R3 >> (R2 || R1)

С увеличением количества вентилей в данной схеме ухудшается задержка.

Основные принципы синтеза МОП схем.

Общая инверсия реализуется с помощью нагрузочного транзистора.

Зависимое (подинверсное) умножение реализуется с помощью последовательного включения транзисторов или схем.

Зависимое (подинверсное) сложение реализуется с помощью параллельного включения транзисторов или схем.

Пример:

Лекция 15

Схемотехника КМОП схем.

НЕ

x	T1	T2	Выход
	закрыт по U	закрыт	Е	1
	открыт	закрыт	~0	0

Мощность КМОП инвертора почти в два раза меньше, чем у МОП.

Это очевидное достоинство.

Еще одно достоинство в том, что топология КМОП не зависит от режима работы.

при n   I_вх  0

Недостатки:

• большая площадь на кристалле

• большое время задержки

• большая стоимость

И-НЕ

А	В	Т1	Т2	Т3	Т4	Выход
0	0	закр. по U	закр. по U	открыт	открыт	Е	1
0	1		закрыт		открыт	Е	1
1	0	закрыт		открыт		Е	1
1	1	открыт	открыт	закрыт	закрыт	0	0

ИЛИ-НЕ

А	В	Т1	Т2	Т3	Т4	Выход
0	0	закрыт	закрыт	открыт	открыт	Е	1
0	1	закрыт	открыт	открыт	закрыт	0	0
1	0	открыт	закрыт	закрыт	открыт	0	0
1	1	открыт	открыт	закрыт	закрыт	0	0

Что общего у трех схем: НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Альтернативная часть (верхняя) противоположна логической части по типу транзистора и по структуре схем.

Принцип синтеза КМОП схем.

1. Общую инверсию реализует альтернативная схема

2. Зависимую (подинверсную) функцию умножения реализует последовательное соединение n-канальных транзисторов или подсхем.

3. Зависимую (подинверсную) функцию сложения реализует параллельное соединение n-канальных транзисторов или подсхем.

Пример:

Синтезировать КМОП вентиль, выполняющий функцию:

Методика проектирования устройств ЭВМ.

Вентильное проектирование.

1. Постановка задачи

2. Синтезировать и спроектировать в разных схемотехниках одноразрядный сумматор

3. Составить логическую таблицу

a	b	c	P	S
0	0	0	0	0
0	0	1	0	1
0	1	0	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	1	1	0
1	1	0	1	0
1	1	1	1	0

Составляем диаграммы Вейче.

Сразу делаем инверсные таблицы.

Далее по полученным формулам строятся необходимые схемы.

Сравнительный анализ разных схемотехник.

параметр схемот.	функция	P		n	Uп	Генерация помех	стоимость
НТСЛ	ИЛИ-НЕ
И2Л	НЕ-Ми	1
ДТЛ	И-НЕ				1
ТТЛ	И-НЕ
ТТЛШ	И-НЕ
МЭСЛ	ИЛИ-НЕ
ЭСЛ	ИЛИ-НЕ-Мили		1 место			1
n-МОП	любые			1,2	1,2		1
КМОП	любые	2		1,2	1,2
КБС
БиКМОП

Основные базисы:

• И-НЕ

• ИЛИ-НЕ

• И-ИЛИ-НЕ

• НЕ-М_и

• ИЛИ-НЕ-М_или