Раздел 3. Элементная база цифровой электроники

3.1. СХЕМОТЕХНИКА БАЗОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Схемотехника базовых логических элементов (БЛЭ) на основе биполярных транзисторов: диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), быстродействующая и энергосберегающая ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ), эмитерно-связанная логика (ЭСЛ). Модификации выходных инверторов: инверторы с повышенной нагрузочной способностью и инверторы с тремя состояниями выходных сигналов.

Схемотехника БЛЭ на основе полевых МДП-транзисторов: схемотехника nМОП и pМОП, схемотехника на комплементарных транзисторах (КМОП).

Схемотехника интегрально-инжекционной логики (И²Л ).

Статические и динамические характеристики и параметры БЛЭ. Согласование логических уровней БЛЭ.

ЛЕКЦИЯ 12

Тема 25. Базовые логические элементы (блэ), их характеристики и параметры

25.1. Понятие базового логического элемента.

Техническая реализация элементов, выполняющих логические преобразования электрических сигналов, называется схемотехникой логических элементов.

В микросхемном исполнении получили развитие исключительно элементы бинарной потенциальной логики, у которых логические сигналы задаются и получаются в виде двух потенциальных уровней: высокого уровня – логическая «единица», низкого уровня - логический «ноль».

Поскольку потенциальные уровни измеряются относительно общей точки нулевого потенциала, разности соответствующих потенциалов представляют собой напряжение логической «единицы» или напряжение логического «нуля».

Один и тот же логический элемент потенциальной логики, в зависимости от вида своего схемотехнического построения, обладает различными параметрами, которые определяют сферу его практического использования.

Схемотехническое построение логических элементов может ограничивать их номенклатуру, поэтому существует понятие базовых логических элементов (БЛЭ) определенной схемотехники.

БЛЭ данной схемотехники представляют собой логические элементы технологически наиболее просто реализуемых логических операций.

Возможности БЛЭ любой схемотехники определяются их статическими и динамическими характеристиками.

25.2. Статическая характеристики и статические параметры блэ.

Статическая характеристика БЛЭ представляет собой его передаточную характеристику по постоянному напряжению, то есть зависимость выходного статического напряжения от входного статического напряжения.

Для снятия такой характеристики входное напряжение изменяемого уровня подается на один из входов логического элемента, а на другие входы подается постоянное напряжение, уровень которого должен обеспечить возможность изменения выходного сигнала при изменениях входного напряжения.

На Рис.64а показана идеализированная статическая характеристика логического элемента с выходным инвертором, например логического элемента И-НЕ, снятая путем изменения напряжения на одном из входов при постоянном уровне логической единицы на других входах.

Рис.64

При низких уровнях входного напряжения выходной инвертор закрыт, поэтому выходной сигнал имеет высокий уровень, а при высоких уровнях входного напряжения выходной инвертор открыт, и выходной сигнал имеет низкий уровень.

Изменение состояния выходного инвертора происходит не скачкообразно, но при сравнительно небольшом изменении входного напряжения после превышения входным напряжением напряжения U_ОТП (границы отпирания инвертора) или после снижения этим напряжением напряжения U_ЗАП (границы запирания инвертора).

Максимально допустимый уровень логического «нуля» U⁰_MAX меньше напряжения границы отпирания инвертора U_ОТП на величину U⁺_П, называемую напряжением отпирающей (положительной) помехи, а минимально допустимый уровень логической «единицы» U¹_MIN больше напряжения границы запирания инвертора U_ЗАП на величину U_П, называемую напряжением запирающей (отрицательной) помехи.

С точки зрения помехозащищенности БЛЭ оба вида помех одинаково опасны, поэтому целесообразно равенство уровня отпирающей и уровня запирающей помехи.

Максимальный уровень логического «нуля» U⁰_MAX на входе соответствует минимальному уровню логической единицы U¹_MIN на выходе, а минимальный уровень логической единицы U¹_MIN на входе соответствует максимальному уровню логического нуля U⁰_MAX на выходе.

Очевидно, чем больше разность между U¹_MIN и U⁰_MAX, тем, при прочих равных условиях, больше помехозащищенность БЛЭ.

На падающем участке статической характеристики выше биссектрисы прямого угла логический элемент является усилителем входных сигналов, а ниже этой биссектрисы – ослабителем этих сигналов.

Коэффициенты усиления и ослабления равны между собой, и чем они больше, тем быстрее устанавливается заданный уровень выходного сигнала.

Статическая характеристика логического элемента зависит от его нагрузки, которая определяется количеством входов однотипных элементов, одновременно подключенных к выходу (коэффициент разветвления по входу), а также от дестабилизирующих факторов, к которым, например, относятся изменения температуры окружающей среды и напряжения электропитания.

Основные статические параметры БЛЭ, к которым относятся максимальный уровень логического «нуля», минимальный уровень логической «единицы», напряжения отпирающей и запирающей помехи определяются для максимальной нагрузки логического элемента и для предельно допустимых значений дестабилизирующих факторов.

К числу дополнительных статических параметров БЛЭ относят потребляемый им ток или мощность, а также - величину входных управляющих токов.

Потребляемый БЛЭ ток или потребляемая им мощность зависят от состояния выходного инвертора, поэтому часто используются среднеарифметические значения этих параметров.

Для сложных микросхем с несколькими выходными инверторами потребляемые токи или мощности могут пересчитываться на один инвертор.

Для оценки вариантности БЛЭ, выполняющих один тип логической операции, в качестве дополнительного параметра, используется коэффициент объединения по входу, который показывает максимально возможное количество входов, объединяемых логикой этой операции.