книги из ГПНТБ / Скарлетт, Дж. Транзисторно-транзисторные логические интегральные схемы и их применение

130 Глава 10

дит увеличение амплитуды выброса и сдвиг его максимального зна­ чения в область больших времен до тех пор, пока при емкости по­ рядка 500 пФ максимальная величина тока не достигнет выходного тока ИС в режиме короткого замыкания (фиг. 10.3). При этом время спада тока до статического уровня, соответствующего выключенному состоянию вентиля, становится более 1 0 0 нс.

При полностью короткозамкнутом выходе ток нарастает до 2/3 конечного значения примерно за 10 нс, а до величины (/сс, 0^ +

+/ 0 s) — за 40—50 нс.

10.3.Изменения напряжения питания

10.3.1.В В ЕД ЕН И Е

Влияние изменений напряжения питания рассматривается в диапазоне от 4,5 до 5,5. Обычно работоспособность ТТЛ ИС сохра­ няется в значительно более широких пределах (известен случай, когда этот диапазон составил от 3,1 до 7,5 В), однако напряжения, лежащие за пределами 5+0,5 В, нельзя считать приемлемыми при конструировании систем. Некоторые изготовители определяют пара­ метры своих ИС в диапазоне от 4,75 до 5,25 В; в частности, это от­ носится к гражданским ИС.

JQ 3 2 ЗАВИСИМОСТЬ БЫ СТРОДЕЙСТВИЯ ОТ И ЗМ ЕН ЕН И Й Н А П РЯ Ж Е Н И Я ' ' ПИТАНИЯ

Повышение напряжения питания увеличивает управляющие базовые токи транзисторов и обеспечивает более быстрое их переклю­ чение. Обычно это повышение быстродействия больше сказывается на задержке при выключении, чем на задержке при включении. Типовые изменения, полученные при испытаниях отдельных ИС, показаны на фиг. 10.4, однако испытания схем «на платах» при пе­ реключении многовентильных последовательных цепочек показали, что изменение полной задержки всей системы или цепочки венти­ лей составляет —8 %/В.

10 3 3 ЗАВИСИМОСТЬ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ОТ И ЗМ ЕНЕНИЙ Н А П РЯ Ж Е Н И Я ПИТАНИЯ

10.3.3.1. Выходная цепь управляющего вентиля, а) Уровень логического 0. Выходной транзистор Т ъв режиме с полной нагрузкой обычно сильно насыщен (разд. 3.2), и уменьшение его управляюще­ го базового тока вследствие 1 0 %-ного снижения напряжения пита­ ния практически не влияет на ток выходного транзистора и напря­ жение V0L остается ниже паспортного значения.

б) Уровень логической 1. Уменьшение напряжения питания вызы­ вает такое уменьшение 1/ он, что ИС, выходное напряжение которых было равно или близко к предельному паспортному уровню логи-

132 Глава 10

только уровень логического 0. Изменение напряжения питания на 10% вызывает изменение входного тока примерно на 11,5%. При повышении напряжения питания соответствующее увеличение вход­ ного тока может уменьшить допустимый коэффициент разветвления. Однако в некоторых технических условиях входной ток измеряется и задается при входном напряжении, равном 0 В, тогда как пре­ дельное выходное напряжение управляющего вентиля задается равным 0,45 В. Это означает, что при расчетах нагрузочной способ­ ности (разд. 9.3) коэффициенты разветвления для уровня логического 0 рассчитаны примерно с 1 0 %-ным запасом.

На практике различием между 11,5%-ным возрастанием вход­ ного тока при повышении напряжения питания на 0,5 В и 10%-ным снижением входного тока при входном напряжении 0,45 В, взятым вместо 0 , можно пренебречь и использовать приведенные в разд. 9.3 коэффициенты разветвления во всем рабочем диапазоне напряже­ ний питания от 4,5 до 5,5 В. В тех технических условиях, в которых входной ток измеряется при входном напряжении 1/ оь, режим изме­ рения предусматривает максимальное напряжение питания, поэтому и для этого случая рассчитанные в разд. 9.3 коэффициенты имеют необходимый запас и могут быть использованы во всем диа­ пазоне напряжений питания.

10.3.4.ЗАВИСИМОСТЬ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ОТ И ЗМ ЕН ЕН И Й Н А П РЯ Ж Е Н И Я ПИТАНИЯ

Как показано в подразд. 10.3.3, изменения напряжения питания не оказывают заметного влияния на выходной уровень логического 0 . Так как входное напряжение порога переключения определяется падениями напряжения на р—«-переходах (подразд. 10.1.4), то оно не зависит от изменений напряжения питания. Однако выходной уровень логической 1 определяется падениями напряжения на пере­ ходах, отсчитываемыми от напряжения питания Vсс, поэтому любые (низкочастотные) изменения Vcc будут непосредственно наклады­ ваться на выходной уровень логической 1 (подразд. 9.3.4). Следова­ тельно, если напряжение питания (вентиля, для которого рассмат­ риваемый узел является выходным) снижается на 0,5 В, то помехо­ устойчивость по уровню логической 1 для управляемых этим вентилем входов также снижается на 0,5 В. Запасы помехоустойчиво­ сти по уровню логического 0 не зависят от изменений напряжения питания, и то же можно сказать о высокочастотной помехоустойчи­ вости. Однако в связи с тем, что изменения напряжения питания влияют на быстродействие ИС, косвенное влияние эти изменения будут оказывать на высокочастотную помехоустойчивость, так как чем выше быстродействие прибора, тем меньше его динамическая помехоустойчивость. Увеличение напряжения питания будет, сле­ довательно, вызывать небольшое снижение динамической помехо­ устойчивости, которое для уровня логической 1 будет перекрыто

10.4.4.ЗАВИСИМОСТЬ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ОТ КОЭФФИЦИЕНТА РА ЗВ Е Т В Л ЕН И Я

Влияние коэффициента разветвления на помехоустойчивость рассмотрено в разд. 9.3 и 9.4. При повышении коэффициента развет­ вления помехоустойчивость (с «точки зрения» входных цепей ИС, управляемых сильно нагруженными вентилями) может ухудшиться из-за увеличения длины соединительных проводников и возрастания переходных помех (гл. 16).

10.4.5.ЗАВИСИМОСТЬ РАССЕИВАЕМОЙ МОЩНОСТИ ОТ КОЭФФИЦИЕНТА РА ЗВ Е Т В Л ЕН И Я

Рассеиваемая включенным вентилем мощность при увеличении коэффициента разветвления может возрастать, однако полная мощ­ ность, рассеиваемая функциональной схемой или конструктивно законченным узлом, равна сумме токов 1СС отдельных вентилей, умноженной на напряжение питания, независимо от нагрузок от­ дельных вентилей (разд. 9.5).

10.4.6.ЗАВИСИМОСТЬ ВЫБРОСА ТОКА ПРИ П Е РЕ К Л Ю Ч Е Н И И СХЕМ

'ОТ КОЭФФИЦИЕНТА РАЗВЕТВЛЕН И Я

Ввентиле, управляющем большим количеством нагрузок, через

ибудет обеспечивать несколько более ранний выход транзистора

Тъ из насыщения, что снижает как амплитуду, так и длительность выброса тока в цепи питания. Поэтому максимальный выброс будет в слабо нагруженных ИС. Однако влияние дополнительной емкости, появляющейся при подключении большого количества нагрузок, часто может быть более определяющим, чем непосредственное влия­ ние увеличения коэффициента разветвления.

10.5.Расширители

10.5.1.ВВЕД ЕНИЕ

Большинство эффектов, ухудшающих характеристики расши­ ряемых вентилей при подключении расширителей, вызвано (или усугубляется) емкостью ИС расширителя и соединительных про­ водников, подключаемых к расширительным входам. Так как появ­ ление этих емкостей при использовании расширителей неизбежно, то влияние емкости, подключенной к расширительным входам ИС, рассматривается в настоящем разделе, а не в разд. 10.1. При исполь­ зовании любых расширителей соединительные проводники, под­

Емкость коротких соединительных проводников обычно невели­ ка, и можно считать, что разряд этой емкости при включении тран­ зистора происходит мгновенно, так как разрядный ток этой емко­ сти значительно меньше тока, переключаемого транзистором.

10.5.2. ЗАВИСИМОСТЬ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ о т в к л ю ч е н и я РАСШИРИТЕЛЕЙ

10.5.2.1. Расширители по ИЛИ в инвертирующих вентилях.

Основное влияние на быстродействие, оказываемое расширителем по «ИЛИ» в инвертирующем вентиле, совпадает с влиянием подклю­ чения емкости к расширительным входам. Подключение емкости к эмиттерному расширительному входу (т. е. к эмиттеру транзи­ стора Т г) замедляет процесс включения вентиля, так как сначала ток включаемого транзистора Т 2 идет на заряд этой емкости, а затем в базовую цепь транзистора Т ъ. На время задержки при выключении эта емкость не влияет, так как изменение напряжения на ней, необ­ ходимое для выключения транзистора Т ъ, составляет несколько милливольт. Подключение емкости к коллекторному расширитель­ ному входу, т. е. к коллектору транзистора Т г, не влияет на время задержки при включении (так как во включении участвует только эмиттерная цепь Г 2), но увеличивает время задержки при выключе­ нии. При одинаковых величинах коллекторной и эмиттерной емко­ стей увеличение времени задержки при выключении оказывается значительно большим, чем при включении.

Влияние включения емкости между двумя расширительными вхо­ дами вместо включения ее между одним из них и землей примерно аналогично рассмотренному выше. Величина, на которую увеличи­ вается время задержки при включении, получается почти такой же, так как напряжение на коллекторе транзистора Т 2 начинает падать только после повышения напряжения на его эмиттере, поэтому вы­ вод конденсатора, подключенного к эмиттерной цепи, все это время оказывается подключенным к постоянному потенциалу. Однако влияние емкости, включенной между расширительными входами, на задержку при выключении оказывается более сильным, чем при включении между коллектором и землей, так как при повышении напряжения на коллекторе транзистора Г 2 напряжение на его эмит­ тере падает.

В типовом случае подключение расширителя к вентилю увеличи­ вает его среднюю задержку распространения на 2 нс, причем основ­ ное увеличение приходится на задержку tPLH. Подключение двух параллельных расширителей, выполненных в одном корпусе, к од­ ной и той же ИС не удваивает это приращение, так как длина меж­ соединений при этом практически остается неизменной. Для любого

такого двойного расширения можно принять приращение средней задержки равным 3—3,5 нс. При использовании двух расширите­ лей в разных корпусах приращение задержки возрастает более чем вдвое и его следует принимать равным ~ 5 нс. Конкретная его вели-

Ф и г. 10.5. Зависимость задержки распространения в инвертирующем вентиле

чина зависит от емкости межсоединений, поэтому точные цифры при­ вести нельзя. Это приращение задержки получается как для задер­ жек между входом и выходом вентиля, так и для задержек сигналов, прошедших через расширитель. Собственная задержка самого рас­

ширителя невелика, поэтому время распространения сигнала от входа расширителя до выхода вентиля примерно равно времени его распространения через расширяемый вентиль. На фиг. 10.5 показа­ ны типовые приращения задержки в зависимости от величины емко­ сти, подключенной к расширительным входам.

10.5.2.2. Расширители по ИЛИ в неинвертирующих вентилях.

Расширитель для неинвертирующего вентиля имеет только одну точку подключения — к коллектору транзистора Т Й (фиг. 7.1). Подключение к этому входу емкости слабо влияет на время включе­ ния транзистора Т 8, однако увеличивает время его выключения. Выходной каскад (транзисторы Т 2—Т ъ) инвертирует сигнал с тран­ зистора Т 8, так что подключение расширителя к неинвертирующему вентилю незначительно увеличивает задержку при выключении и более существенно увеличивает задержку при включении. В типо­ вом случае средняя задержка распространения при подключении каждого расширителя возрастает на 0,5 нс. Длительности фронтов при этом практически не изменяются.

10.5.2.3. Расширители по И в восьмивходовом вентиле. В дан­ ном случае, как и в рассмотренных ранее, емкость расширителя и соединительных проводников будет влиять на быстродействие вен­ тиля. Эта емкость складывается с базовой и коллекторной емкостями транзистора Т г. Когда напряжение на входе растет, обе эти ем­ кости будут заряжаться током, текущим через резистор Rx (4 кОм), поэтому время задержки при включении будет увеличиваться при­ мерно на 4 нс/пФ. Если к емкостям базы и эмиттера добавить кон­ денсаторы такой же емкости, то приращение задержки составит 8 нс/пФ на каждый такой конденсатор. Задержка при выключении также возрастает, однако в меньшей степени, так как емкость базы разряжается через цепь эмиттера транзистора 7\ и открытый выход­ ной транзистор управляющего вентиля.

Когда расширитель подключен к вентилю, часть емкостей соеди­ нений и кристалла на каждом из расширительных входов присоеди­ нена вторым выводом к земле, а часть емкостей включена между этими входами и поэтому влияет на быстродействие вентиля зна­ чительно слабее, чем емкости относительно земли, так как напря­ жения на базе и коллекторе транзистора Т t изменяются в одном на­ правлении.

В типовом случае при подключении одного расширителя, кор­ пус которого смонтирован рядом с вентилем и длина соединитель­ ных проводников составляет менее 2,5 см, средняя задержка рас­ пространения увеличивается примерно на 3 нс. В основном при этом увеличивается задержка tPHL. Длительности фронтов практи­ чески не меняются.

Как и в случае использования расширителей по «ИЛИ» в инвер­ тирующем вентиле, задержка сигналов, проходящих через расшири­ тель, будет такой же, как и в самом расширяемом вентиле,