Схемота / DgCxT_konspekt_lektsiy_1-14

входы (т.к. ̅̅̅̅̅̅̅̅1 ∙ 1 = ̅̅̅1). Далее, проинвертировав левую и правую части первого соотношения, получим:

1 + 2 = ̅̅̅1 ∙ ̅̅̅2.

Полученное соотношение описывает реализацию ЛЭ типа ИЛИ на универ-

сальных ЛЭ ИЛИ-НЕ. На языке схемотехники полученное преобразование можно изобразить в виде схемы следующим образом:

X1 + X2 = X1 ∙ X2

Рисунок 10 - Реализация ЛЭ типа ИЛИ на универсальных ЛЭ ИЛИ-НЕ В корректности созданной схемы можно легко убедиться и не используя

формальный аппарат алгебры логики. Допустим, хотя бы один из входов схемы,

показанной на, т.е. Х1 или Х2, оказывается равным логической единице. Это озна-

чает, что после инверсии на вход ЛЭ DD3 поступит как минимум один уровень лог. «0». В результате выполнения операции И в DD3 формируется логический ноль, который после инверсии (логический элемент – универсальный) дает лог. «1» на выходе. Иными словами, полученная схема реализует таблицу истинности ЛЭ типа 2ИЛИ.

2.2 Логические элементы на биполярных транзисторах (РТЛ, ДТЛ, ТТЛ)

Для современной схемотехники характерно широкое использование бази-

сов И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Для их реализации логические элементы строят, как пра-

вило, из двух частей: части схемы, выполняющей операции И или ИЛИ (так назы-

ваемой входной логики), и инвертора, выполняющего операцию НЕ. Входная ло-

гика может быть выполнена на различных полупроводниковых элементах: дио-

дах, биполярных и полевых транзисторах. В зависимости от вида полупроводни-

ковых элементов, применяемых для изготовления входной логики и инверторов,

различают:

•РТЛ — резисторно-транзисторную логику;

•ДТЛ — диодно-транзисторную логику;

•ТТЛ — транзисторно-транзисторную логику;

•ТТЛШ — ТТЛ с диодами Шоттки;

•ЭСЛ — эмиттерно-связанную логику;

•ИЛ — интегральную инжекционную логику;

•КМОП — логику на комплементарных парах полевых транзисторов;

Резисторно-транзисторная логика (РТЛ)

Резисторно-транзисторная логика – технология построения логических схем с применением резисторов и биполярных транзисторов.

Первые цифровые интегральные микросхемы относились к семейству рези-

сторно-транзисторной логики. Это связано с хорошей изученностью на тот мо-

мент (начало 60х годов прошлого столетия) схемотехнических решений и просто-

той конструкции. Микросхемы семейства резисторно-транзисторной логики яв-

лялись полными аналогами логических схем построенных на базе дискретных компонентов.

Рисунок 11 – РТЛ логический элемент

Кпреимуществам данной технологии относятся:

•низкая стоимость;

•простота конструкции.

Кнедостаткам данных схем можно отнести

•высокая рассеиваемая мощность;

•низкое быстродействие;

•низкая нагрузочная способность выходов.

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)

Диодно-транзисторная логика – технология построения логических схем с применением диодов и биполярных транзисторов.

Недостатком ДТЛ микросхем является задержка прохождения сигнала, что было устранено в следующем поколении – ТТЛ.

Рисунок 12 – ДТЛ логический элемент

При наличии высокого напряжения (логическая единица) на всех входах X1 X2 входные диоды запираются, транзистор переходит в режим насыщения и на выходе Y устанавливается низкое напряжение. При наличии на любом из входов

напряжения низкого уровня (логический ноль) ток от источника питания прохо-

дит через резистор и диод а транзистор закрывается и на выходе Y устанавлива-

ется напряжение высокого уровня.

Микросхемы ДТЛ логики появились на заре цифровых микросхем почти одновременно с микросхемами РТЛ логики.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) малой степени интеграции по-

явилась на первом этапе развития интегральной схемотехники (1969-1985 гг.).

Эти схемы характеризуются хорошими электрическими параметрами, удобны в применении, обладают большим функциональным разнообразием. Отечествен-

ная промышленность выпускала микромощную серию 134 и стандартные серии

133, 155 (аналоги зарубежных SN54, SN74).

Схема простейшего ТТЛ-элемента, реализующего операцию И-НЕ, показана на:

Рисунок 13 – ТТЛ логический элемент

Основная особенность схем ТТЛ-логики заключается в том, что во входной цепи используется многоэмиттерный транзистор. Он осуществляет операцию И.

Эмиттеры расположены таким образом, что прямое взаимодействие между ними исключается. Благодаря этому эмиттерные переходы можно рассматривать как параллельно включенные диоды. Число эмиттеров определяет число входов эле-

мента. Инвертор реализован на транзисторе VT2. Таким образом, схема реализует

операцию И-НЕ. Транзисторы VT1 и VT2 представляют собой однотипные n–p– n-транзисторы, поэтому их можно изготовить в едином технологическом цикле.

Заметим, что многоэмиттерные транзисторы используются только в интеграль-

ных схемах.

2.3Логические элементы на полевых транзисторах (КМОП микросхемы)

Всовременных цифровых микросхемах применяются полевые транзисторы только с изолированным затвором (МОП) и индуцированным каналом.

МОП транзисторы имеют четыре вывода:

1)исток;

2)сток;

3)затвор;

4)подложка.

На поверхности подложки между стоком и истоком создают тонкий слой окисла кремния SiO2, а поверх него напыляют проводящий затвор. Когда на за-

твор такого МОП транзистора относительно подложки подается отпирающее напряжение, то внутри подложки под затвором между стоком и истоком индуци-

руются (наводятся) носители заряда с проводимостью, противоположной прово-

димости подложки, но совпадающей с проводимостью стока и истока. Если те-

перь подключить сток и исток к источнику питания, то через них и через наведен-

ный канал потечет ток.

Зависимости тока Iс стока от напряжения затвор–подложка Uз для транзи-

сторов с каналами разного типа приведены на рисунках.

IС

С

З П И

Рисунок 14 – Полевой транзистор с каналом n-типа

IС

UПОР

UЗ

С

З П И

Рисунок 15– Полевой транзистор с каналом p-типа

На этих рисунках показаны также условные графические обозначения этих транзисторов. Следует обратить внимание на то, что вывод истока транзистора является как бы продолжением вывода его затвора. Зачастую линию канала вме-

сто штриховой рисуют сплошной (как у МОП транзисторов с встроенным кана-

лом).

МОП транзисторы называют в соответствии с проводимостью канала, а

стрелки в их условных графических обозначениях соответствуют типу канала.

Направление стрелки показывает проводимость канала (от каналу – транзистор p–

типа, в сторону канала – n–типа). Как известно обозначения n – NEGATIVE (от-

рицательный, при этом носители заряда, – электроны), а p – POSITIVE (положи-

тельный, при этом носители заряда, – дырки).

Значение порогового напряжения при питании + 5 В обычно лежит в пре-

делах: Uпор = 1,5 ... 3 В.

Для МОП транзисторов характерны два существенных отличия их от обыч-

ных биполярных транзисторов:

–сопротивление канала практически линейно, т. е. ток стока почти линейно зависит от напряжения сток–исток;

–имеется почти полная взаимозаменяемость стока и истока, т.к. ток в ка-

нале может протекать в обоих направлениях в зависимости от полярности напря-

жения, приложенного к каналу.

В цифровых микросхемах эти особенности не являются определяющими,

но помнить о них не вредно.

Инвертор на КМОП транзисторах

Отдельные МОП транзисторы могут быть использованы как инверторы.

Для канала n-типа при входном напряжении 0В транзистор будет закрыт и выход-

ное напряжение будет соответствовать логической 1. При входном напряжении лог. 1 транзистор откроется и на выходе будет напряжение лог. 0.

а) б)

Рисунок 16 – Инверторы на отдельных МОП транзисторах n-типа а) и p-типа б)

Транзистор с каналом p-типа работает противоположным образом, но тоже как инвертор. При входном напряжении 0В по отношению к подложке на затворе окажется отрицательное напряжение и транзистор будет открыт. В результате на выходе будет напряжение лог. 1. При высоком входном напряжении на затворе окажется потенциал близкий к потенциалу подложки и транзистор закроется. В

результате на выходе будет напряжение лог. 0.

Оба эти инвертора имеют один существенный недостаток – в одном из ло-

гических состояний через нагрузочный резистор течет ток и потребляется неко-

торая мощность. Решить данную проблему позволяет инвертор, в котором ис-

пользуются транзисторы с двумя типами каналов (комплементарные). Такой ин-

вертор будет называться КМОП (на комплементарных МОП транзисторах).

UПИТ

UВЫХ

UВХ

Рисунок 17 – Инвертор типа КМОП

Мощность, потребляемая логическим элементом КМОП в статическом ре-

жиме, близка к нулю, так как оба транзистора закрыты и сквозной ток отсутствует

(имеется только незначительный ток утечки). С ростом частоты переключения схемы динамическая потребляемая мощность Pдин растет в соответствии с выра-

жением:

Pдин = 2 Cнагр. F U2пит,

где Cнагр. – эквивалентная емкость нагрузки микросхемы; F, – частота переключе-

ния; Uпит, – напряжение питания.

2.4 Параметры логических элементов. Статические и динамические параметры

Основными техническими параметрами логических элементов являются быстродействие, потребляемая мощность, помехоустойчивость, нагрузочная спо-

собность, уровни напряжения, соответствующие логическому 0 или логической

1.

Быстродействие характеризуют временем задержки распространения сиг-

нала tзр и максимальной рабочей частотой Fмaкс. Обратимся к идеализированным

временным диаграммам, соответствующим элементу НЕ (инвертору):

UВХ

UВХ1

UВХ UВХ

UВХ0

UВЫХ

UВЫХ1

UВЫХ UВЫХ

UВЫХ0

Рисунок 18 – Временная диаграмма входных-выходных сигналов инвертора

Через Uвхl и Uвыxl обозначены уровни входного и выходного напряжений,

соответствующие логической единице, а через Uвх0 и Uвыx0 — соответствующие

логическому нулю. Различают время задержки tзр10 распространения при пере-

ключении из состояния 1 в состояние 0 и при переключении из состояния 0 в со-

стояние 1 — tзр01, а также среднее время задержки распространения tзр , причем

tзр = 0,5 · ( tзр10 + tзр01)

Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5∆Uвх и

0,5∆Uвыx. Максимальная рабочая частота Fмaкс — это частота, при которой сохра-

няется работоспособность схемы.

Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу Kоб и коэффициентом разветвления по выходу Kраз. Величина Kоб — это