Изобразите схему возможной реализации логического элемента или- не на биполярных транзисторах, и поясните основные моменты ее функционирования.
Схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) базируются на биполярных транзисторах npn-структуры.
На рисунке представлен логический элемент ИЛИ-НЕ.
Логическое сложение осуществляется за счет монтажного соединения
14
транзисторов VT3 и VT4. Замыкание буферной цепи (состояние F=0) в этом случае возможно при замыкании хотя бы одной из цепей, проходящих через сопротивления R2 и R3. Эти цепи замыкаются в том случае, если на входы подается хотя бы одна логическая единица. Таким образом, выполняется правило ИЛИ-НЕ: при подаче хотя бы одной единицы на выходе схемы получим логический ноль.
Рисунок 6 - Логический элемент ИЛИ-НЕ на ТТЛ
Изобразите схему возможной реализации логического элемента "Исключающее или" на биполярных транзисторах, и поясните основные моменты ее функционирования.
Логический элемент Исключающее ИЛИ, как и ранее рассмотренные логические элементы имеет несколько равноправных входов и один выход, но не один из входных выводов не может заблокировать другие входы, установив выходной сигнал к уровню единицы или нуля. Исходя из сказанного, можно установить логику работы элемента Исключающее ИЛИ: высокий логический уровень на выходе появляется только тогда, когда только на одном из входов есть высокий уровень, а если на всех входах одновременно присутствуют сигналы логического нуля или логической единицы, то на выходе буде низкий уровень напряжения.
15
Изобразите схемы возможной реализации логических элементов на полевых транзисторах и поясните основные моменты их функционирования.
Схемы nМОП-технологии базируются на полевых (МОП) транзисторах
с индуцированным каналом n-типа. Базовым элементом данной технологии является схема И-НЕ. Логическое умножение осуществляется за счет последовательного соединения каналов транзисторов VT1 и VT2.
Канал
между истоком и стоком в nМОП-транзисторе
индуцируется в том
случае,
когда на затвор (вход схемы) подается
положительный относительно
подложки
потенциал.
Цепь от +5 В до земли замкнется только в
одном случае,
когда
A=B=1,
поскольку
в
этом
случае
оба
транзистора
открываются
и
образуется
единый
канал,
замыкающий
цепь.
Рисунок 7- Логический элемент И-НЕ nМОП-технологии
Функция ИЛИ-НЕ осуществляется за счет параллельного соединения таких транзисторов при подаче хотя бы на один вход единицы индуцируется канал в соответствующем транзисторе и замыкается цепь от +5 В до земли. Следовательно, на выходе будет потенциал, соответствующий падению напряжения в канале транзистора, т.е. 0,2 В, при этом F=0.
16
Рисунок 8 - Логический элемент ИЛИ-НЕ nМОП-технологии
Схема инвертора строится на базе одного транзистора.
Рисунок 9 - Логический элемент НЕ nМОП-технологии
Перечислите основные технологии изготовления цифровых микросхем и дайте краткую характеристику каждой из них.
Основные технологии производства цифровых микросхем, применяемые в настоящее время: ТТЛ, и КМОП.
Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3..5 нс., а внутри кристалла микросхемы, где нет больших ёмкостей нагрузки время переключения измеряется пикосекундами. Таким быстродействием обладают программируемые логические схемы и заказные БИС. В этих микросхемах алгоритм решаемой задачи заключён в их принципиальной схеме.
17
Часто для решаемой задачи не требуется такого быстродействия, каким обладают современные цифровые микросхемы. Однако за быстродействие приходится платить: V↑, следовательно Iпотр, Рпотр ↑
Быстродействующие микросхемы потребляют значительный ток. Первую задачу решает применение комплементарной МОП - технологии (КМОП) цифровых микросхем. Потребляемый ими ток зависит от скорости переключения логических вентилей. Именно поэтому в настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается именно по этой технологии.
Для решения задачи приходится использовать много микросхем, это выливается в стоимость и габариты устройства (БИС и СИС).
Вторую задачу решают несколькими способами. Для жёсткой логики это разработка специализированных БИС (СИС). Использование специализированных БИС позволяет уменьшить габариты устройства, но стоимость его снижается только при крупносерийном производстве. Для среднего и малого объёмов производства такое решение неприемлемо.
Ещё одним решением уменьшения габаритов и стоимости устройства является применение программируемых логических схем (ПЛИС). Это направление активно развивается в настоящее время.
Виды цифровых микросхем
В настоящее время используется несколько видов логических элементов:
диодно-транзисторная логика (ДТЛ); транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL);
логика на основе комплементарных МОП транзисторов (КМОП, CMOS);
логика на основе сочетания комплементарных МОП и биполярных транзисторов (BiCMOS).
18
Первоначально получили распространение цифровые микросхемы, построенные на основе ТТЛ технологии. Поэтому до сих пор существует огромное количество микросхем, построенных по этой технологии или совместимые с этими микросхемами по напряжению питания и логическим уровням.
В настоящее время производится много готовых микросхем, в которых содержится сразу несколько триггеров Шмитта. Пороги в этих схемах установлены заранее. Например, в микросхеме 555ТЛ2 содержится сразу шесть триггеров Шмитта с разносом порогов 800 мВ.
В КМОП микросхемах пороги срабатывания и отпускания устанавливаются на трети напряжения питания. Примером подобной микросхемы может служить КМОП микросхема К1561ТЛ1, в которой содержится четыре логических элемента "2И", каждый вход которого обладает гистерезисом.
В настоящее время за рубежом широко распространены микросхемы малой логики, где в одном очень маленьком корпусе, обычно с пятью выводами, размещается одиночный логический элемент. В качестве примера одиночного триггера Шмитта можно назвать микросхемы SN74AHC1G14 или SN74LVC1G17.
19