Питання для контролю вивченого матеріалу:

22. Назвіть недоліки елементів ТТЛШ.

23. На основі яких рекомендацій проводиться вибір серії мікросхем для побудови цифрових пристроїв?

Література:

11. М.П.Бабич, І.А.Жуков., «Комп’ютерна схемотехніка», 2004 р.

Урок № 17

(згідно робочої навчальної програми)

Тема: Логічні елементи емітерно-зв'язної логіки

Питання: 1. Особливості схемотехніки ЕЗЛ.

2. Недоліки елементів ЕЗЛ.

3. Схема типового логічного елемента ЕЗЛ

Схемотехніка елементів ЕЗЛ заснована на використанні диференціального підсилювача в режимі перемикання струму. Елементи ЕЗЛ з'явилися в 1967 р. і в даний час є надшвидкодіючими серед напівпровідникових елементів на основі кремнію. Затримки поширення сигналів в елементах ЕЗЛ зменшилися до субнаносекундного діапазону (приблизно 1 нс).

Надшвидкодія елементів ЕЗЛ досягається за рахунок використання ненасиченого режиму роботи транзисторів, вихідних емітерних повторювачів, малих амплітуд логічних сигналів (біля 0,8 В). У логічних елементах ЕЗЛ є парафазний вихід, що дозволяє одночасно одержувати пряме та інверсне значення реалізованої функції. Це дає помітне зниження загальної кількості мікросхем в апаратурі.

Особливостями схемотехніки ЕЗЛ та її характеристик є:

• можливість об'єднання виходів декількох елементів для утворення нових функцій;

• можливість роботи на низькоомному навантаженні завдяки наявності емітерних повторювачів;

• невелике значення роботи перемикання і незалежність споживаної потужності від частоти перемикання;

• висока стабільність динамічних параметрів при зміні температури і напруги живлення;

• використання від'ємного джерела живлення і заземлення колекторних кіл, що зменшує залежність вихідних сигналів від перешкод у шинах живлення.

До недоліків елементів ЕЗЛ відносять складність схем, значне споживання потужності та труднощі узгодження з мікросхемами ТТЛ і ТТЛШ.

Промисловість випускає ряд серій ЕЗЛ: 100, 137, 138, 187, 223, 229, 700, 500 і К1500. Високі техніко-економічні характеристики мікросхем серій 500 і К1500 обумовили їхнє широке застосування у швидкодійних цифрових пристроях. Типові значення параметрів елементів ЕЗЛ наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Мікросхеми ЕЗЛ серії 500 виготовляють за напівпровідниковою дифузійною планарно-епітаксіальною технологією. Усі компоненти мікросхеми розташовують в одному кристалі кремнію й ізолюють обернено зміщеними р-п переходами. Компоне­нти формуються дифузією домішок у тонкому епітаксіальному прошарку монокристалічного кремнію.

Схема типового логічного елемента ЕЗЛ серії 500 показана на рис. 1.

Рис. 1. Елемент ЕЗЛ серії 500: а — схема; б — умовне позначення

Схема ЕЗЛ вміщує:

• перемикач струму (логічні транзистори VT1, VТ2, опорний транзистор VТЗ, резистори R1, R2, RЗ);

• джерело опорного зміщення (транзистор VТ4, діоди VD1, VD2, резистори R5, R6);

• вихідні емітерні повторювачі (транзистори VТ5,VТ6).

Напруга на відкритому переході база-емітер кремнієвого транзистора є постійним параметром U* = 0,8 В. При описуванні роботи елемента беруть узгодження від'ємної логіки: значення лог.0 відображається високим (з урахуванням знака) рівнем напруги U_H ⁼ - 0_;9 В; значення лог. 1 відображається низьким рівнем напруги U_L = - 1,7 В. Амплітуда (перепад) логічного сигналу U_m = U_H - U_L = 0,8 В. Опорна на­пруга перемикача струму розташовується симетрично щодо рівнів двійкових сигналів і визначається як їхнє середнє: U_OП = - (U_H + U_L )/2 = -1,3 В.

Якщо хоч на один із входів подана напруга U_H = -0,9 В, то даний транзистор відкривається, на нього перемикається струм I_E, що створює на резисторі R₁ падіння напруги мінус 0,9 В. При цьому опорний транзистор закритий і на резисторі R2 падіння напруги дорівнює мінус 0,1 В.

Якщо на усіх входах подані рівні U_L = -1,7 В, то транзистори VT1 і VТ2 закриваються, а транзистор VТЗ відкривається і на нього перемикається струм I_E. У цьому випадку падіння напруги на резисторі R1 дорівнює мінус 0,1 В, а на резисторі R2 мінус 0,9 В. При цьому на колекторах лівого і правого плеча рівні напруги не відповідають взятому значенню двійкового сигналу. Емітерні повторювачі на транзисторах VТ5 і VТ6 зміщують рівні сигналів, які надходять на їхні бази з лівого і правого плеча перемикача, на U* = 0,8 В у бік від'ємних сигналів:

U_OH = - (U* + 0,1) В =- 0,9 В; U_OL = - (U* + 0,9) В = -1,7 В.

Внаслідок цього рівні вхідних і вихідних сигналів відповідають чинному стандар­ту. Часові діаграми роботи елемента ЕЗЛ показані на рис. 2.

Рис. 2. Часові діаграми роботи елемента ЕЗЛ

Як випливає з часових діаграм, вхідні й вихідні логічні сигнали змінюються на ±0,4 В щодо опорної напруги.

У від'ємній логіці елемент ЕЗЛ реалізує на прямому виході F функцію І, а на інверсному виході У— функцію НЕ І, що записується як НЕ-І/І. У позитивній логіці елемент ЕЗЛ реалізує функцію НЕ-ЧИ/ЧИ.

Резистори R7 і R8 опором 50 кОм підключені до джерела від'ємного живлення і забезпечують протікання зворотного базового струму, а також надійне запирання вхідних транзисторів, які не використовуються (незадіяні входи не потрібно підключати до лог. 1). Крім того, ці резистори служать навантаженням для джерел вхідних сигналів.

У елементах ЕЗЛ серії 500 навантажувальні резистори емітерного повторювача (ЕП) винесені за межі мікросхеми, що знижує на кристалі потужність, яка розсіюєть­ся, і забезпечує можливість організації монтажної логіки. Зовнішні навантажувальні резистори опором 0,3-3,0 кОм підключаються між виходом ЕП і основним джерелом від'ємного живлення мінус 5,2 В. При роботі на низькоомне навантаження 50-200 Ом резистори можуть підключатися до додаткового зниженого джерела живлення мінус 2,0В.

Підключення від'ємної напруги живлення до емітерного кола і заземлення коле­кторів забезпечує кращу стійкість до перешкод і меншу залежність вихідних сигналів від наведень у колах емітера. Опір резистора R3 у декілька разів більший опорів R1 і R2, чим досягається сталість струму І_Е у плечах перемикача струму. Крім того, співвідношення опорів резисторів R1, R2 і R3 підібрано так, щоб на виході закритого пле­ча встановлювалася напруга мінус 0,1 В за рахунок протікання струму бази ЕП, а на виході відкритого плеча напруга дорівнювала мінус 0,9 В за рахунок протікання струму І_Е.

Колектори ЕП підключені до окремої шини землі; це пов'язано з тим, що струми повторювачів мають імпульсний характер і вони створюють перешкоди у провідниках, які підводять напругу.

У елементах ЕЗЛ допускається об'єднання виходів, як показано на рис. 3. Об'єднання прямих виходів збільшує коефіцієнт об'єднання по І; об'єднання інверс­них виходів дозволяє реалізувати функцію НЕ-І-ЧИ.

Рис. 3. Об'єднання виходів елемента ЕЗЛ

Елементи ЕЗЛ серії 500 мають функціональну і технічну повноту. Серія 500 вміщує широкий набір мікросхем: логічні елементи, тригери, регістри, лічильники, дешифратори, мультиплексори, АЛП.