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

10 Из предисловия автора

нз дискретных компонентах, не рассмотрена вообще. Поэтому чи­ тателю предоставляется возможность ознакомиться с этими вопро­ сами по другим источникам, выбираемым по своему усмотрению. Кроме того, в книге также не рассматриваются конкретные примеры применения ТТЛ ИС. Изготовители ТТЛ ИС выпускают руководства по применению своих схем, а логическое проектирование представ­ ляет собой тему для отдельной книги.

В связи с необходимостью выдержать приемлемый объем книги автору пришлось исключить еще одну тему, имеющую большое значение с точки зрения эффективного использования ТТЛ ИС,— конструирование и изготовление печатных схем. Эта тема сама по себе заслуживает отдельной книги, каковой, например, является книга автора Printed Circuit Boards for Microelectronics, Van Nost­ rand Reinhold, 1970. Автор воздержался также от рекомендаций по выбору «наилучших» ТТЛ ИС. Этот вопрос можно ставить лишь тогда, когда известны все особенности проектируемого устройства. Автор надеется, что изложенный в книге материал поможет читате­ лям в выборе конкретной серии ИС и поставщиков при заданных конкретных требованиях по уровню качества и надежности, срокам поставки и т. п.

Книга разбита на главы, которые представляют собой по воз­ можности законченные разделы, чтобы специалист, интересующийся конкретным вопросом, мог сразу найти на него ответ. Это привело к вынужденному дублированию некоторых основных моментов, но автор надеется, что читатели простят его и не сочтут книгу перегру­ женной информацией. Для «новичков»,- не имеющих предваритель­ ных представлений о ТТЛ ИС, автор старался излагать материал таким образом, чтобы чтение любой из глав не требовало понимания материала последующих глав. В результате анализ режимов пере­ ключения токов в схемах распределен между главами 6 и 16.

Гл. 13 следует считать попавшей «не на свое место». Если рас­ сматривать ее просто как пример триггерной схемы, то она должна идти перед главой, посвященной ТТЛ СИС. Однако эта глава пред­ ставляет собой не просто пример триггерной схемы, а образец ана­ лиза и исследования, которые необходимо провести для оптималь­ ного использования сложных ИС и СИС. Рассмотренная в гл. 13 в качестве примера схема была выбрана потому, что она имеет ряд нестандартных особенностей и содержит нетиповую схему формиро­ вания тактовых импульсов с управлением по базе.

Использованные в книге символы и обозначения могут показаться специалистам спорными. По мере возможности автор • следовал рекомендациям, приведенным в Британских стандартах (например, BS 9400), но в тех случаях, когда они существенно отличались от обозначений, принятых в справочных материалах изготовителей ИС, предпочтение отдавалось последним, так как специалисты-практики, пользующиеся данной книгой, будут пользоваться и этими мате­

риалами. Поэтому на схемах везде вентили И имеют D-образное обозначение, вентили ИЛИ обозначены в виде «щита», а инверсия сигнала обозначена маленьким кружком; везде, где специально не оговорено обратное, используется положительная логика — логи­ ческой 1 соответствует высокий уровень, логическому 0 низкий.

В основу данной книги легли результаты интенсивных исследо­ ваний ТТЛ ИС и вопросов их применения, которые составляли часть работы в Отделении вычислительных машин фирмы Marconi (Челмс­ форд). К сожалению, реорганизация фирмы вызвала свертывание ряда исследований, в частности касающихся долговременной надеж­ ности и т. п., поэтому книга не стала столь широкой по охвату ма­ териала, как того хотелось. Во многих случаях работы Отделения вычислительных машин в книге дополнены результатами работ, проводимых другими подразделениями фирмы Marconi, а также материалами, собранными из доступных источников. В книге не приводитсяполный список использованной литературы, поскольку он слишком обширен. В качестве основы послужила информация, публикуемая различными изготовителями ТТЛ ИС.

Q— инверсный (нулевой) выход триггера или СИС-элемента;

R— сопротивление; „

tpd — средняя задержка в ИС Upd= (tPLH+ t p HL)/2];

tPHL — задержка распространения для отрицательного перепада на выходе ИС;

tPLH — задержка распространения для положительного пере­ пада на выходе ИС;

tr — время нарастания импульса (tr= t TLH);

t THL — время спада сигнала на выходе ИС (длительность заднего фронта);

/ tlh — время нарастания сигнала на выходе ИС (длительность переднего фронта);

V — напряжение;

Vв — напряжение обратной наводки; VBE — напряжение база — эмиттер; Vcc — напряжение источника питания;

VCE — напряжение коллектор — эмиттер; Vр — напряжение прямой наводки;

V///min — минимальное напряжение логической 1, воспринимае­ мое ИС как уровень логической 1;

V/imax — максимальное напряжение логического 0, воспринимае­

ЭСЛ — логические ИС с эмиттерными связями.

Заглавные буквы используются также для обозначения входов вентиля или схемы, частей схемы и последовательности отражений в линии связи.

1

Введение

1.1. Что такое ТТЛ ИС?

ТТЛ ИС (транзисторно-транзисторные логические интегральные схемы) представляют собой наиболее распространенные в настоящее время цифровые интегральные схемы (называемые иначе микросхе­ мами). Существует много различных серий ТТЛ ИС, и каждая из них содержит многочисленные логические схемы вентильного типа и триггерные схемы. В состав многих серий входят также более сложные функциональные схемы, известные под названием СИС (схемы средней степени интеграции).

Основной ТТЛ-вентиль представляет собой многовходовую пере­ ключательную схему, электрическое (или логическое) состояние на выходе которой определяется логической комбинацией электриче­ ских состояний ее входов. ТТЛ ИС всех серий электрически совме­ стимы друг с другом, и электронные узлы, выполненные на основе ИС одной из серий, могут быть непосредственно соединены с узлами, выполненными на основе ИС другой серии при условии выполнения требований к нагрузочной способности схем.

Все ТТЛ ИС работают от единого источника питания напряже­ нием + 5 В. Каждая схема на выходе может иметь два состояния: состояние с низким выходным напряжением (логический 0), состав­ ляющим примерно 0,25 В относительно земли, и состояние с высоким выходным напряжением (логическая 1), составляющим —3-:— 3,5 В относительно земли.

ТТЛ ИС обладают высоким быстродействием. Фронты сигналов ТТЛ-схем равны 2—8 нс, а задержки распространения сигналов -~6—20 нс. Конкретные величины времен переключения опреде­ ляются серией, в состав которой входит данная ТТЛ ИС, и величиной нагрузки, на которую схема работает. Диапазон входных напряже­ ний схемы, при которых ее выходное состояние не определено, достаточно узок; выходной импеданс ТТЛ ИС мал (менее 100 Ом), а системы на основе ТТЛ ИС обладают высокой помехоустойчиво­ стью. Потребляемая мощность, составляющая около 12 мВт на вен­ тиль, относительно невелика.

Большинство ТТЛ ИС имеют выходные каскады с активными (тянущими) схемами (так называемые двухполюсные выходные кас­

16 Глава 1

кады). Это не позволяет включать их по схеме «монтажное ИЛИ» (схема ИЛИ получается в том случае, когда выходы двух или более ИС соединяются вместе таким образом, что при переходе хотя бы одной из них во включенное состояние это состояние фиксируется в их общем выходе независимо от состояний всех остальных схем, подключенных к этому узлу), однако позволяет ТТЛ-схемам рабо­ тать на относительно большие емкостные нагрузки без заметного ухудшения быстродействия.

Отсутствие возможности выполнения функции «монтажное ИЛИ» полностью компенсируется включением в состав всех серий ТТЛ ИС вентилей, имеющих внутреннею функцию ИЛИ. Существует, прав­ да, несколько типов ТТЛ ИС, имеющих выходные каскады с разомк­ нутым коллектором, которые можно объединять по схеме ИЛИ (но при этом требуется внешний нагрузочный резистор), а также несколькб типов ТТЛ ИС, имеющих выходные каскады с тремя состоя­ ниями. Такие каскады с тремя состояниями содержат дополнитель­ ные транзистор и диод, которые полностью выключают выходной каскад и удерживают его в состоянии с высоким выходным импедан­ сом до тех пор, пока не подается соответствующий управляющий сигнал включения каскада. Такие ИС можно включать по схеме «монтажное ИЛИ», однако в этом случае управляющие сигналы должны подаваться таким образом, чтобы во включенном состоянии находился выходной каскад только одной из схем. Выходные каскады с разомкнутым коллектором и с тремя состояниями в данной книге не рассматриваются. Подробно описывается только обычный «двух­ полюсный» выходной каскад.

ТТЛ ИС имеют высокую нагрузочную способность. Количество входов вентилей ТТЛ ИС, которое может быть подключено к выходу ТТЛ-схемы, для разных серий различно, однако минимальная на­ грузочная способность для любой из серий равна пяти (это относится К:сериям, в которых имеются вентили как с низкой, так и с высокой нагрузочной способностью).

Каждая ТТЛ ИС представляет собой миниатюрный кристалл кремния площадью от 1 до 2,5 мм2 и толщиной около 0,1 мм. Эти кристаллы помещаются в корпуса больших размеров, которые за­ щищают ИС от внешних воздействий и повреждений, а также упро­ щают их монтаж на печатные платы. Наиболее распространенным в настоящее время является корпус с двухрядным расположением выводов (типа D IP);'14 выводов размещены с шагом 2,54 мм при межрядном расстоянии 7,62 мм. Монтаж такого корпуса на печатную плату осуществляется вставлением\его выводов в отверстия на плате. Широко распространен также планарный корпус, который меньше корпуса типа DIP и имеет два' ряда плоских ленточных выводов, расположенных с шагом 1,27 мм. Планарные корпуса монтируются с помощью приварки или припайки их выводов к контактным пло­ щадкам, расположенным на поверхности печатных плат,.или могут

набираться в стопки в модули типа «поленницы». Некоторые триггер­ ные схемы и сложные логические элементы выпускаются в корпусах типа DIP или планарных корпусах с 16 выводами, а ряд более слож­ ных функциональных СИС выпускается в корпусах типа DIP с 24 выводами.

Кристаллы ТТЛ ИС используются также в гибридных схемах, когда в один корпус монтируется несколько кристаллов и создаются необходимые внутренние межсоединения, в результате чего полу­ чаются сложные заказные функциональные СИС или БИС (большие интегральные схемы).

Обычно ТТЛ ИС выпускаются как минимум на два рабочих тем­ пературных диапазона: от 0 до 70° С для так называемых «граждан­ ских» или «промышленных» ИС и от —55 до +125° С для «военных» ИС.

ТТЛ ИС относительно дешевы. Базовые ТТЛ-вентили стоят дешевле, чем эти же вентили, собранные на дискретных компонен­ тах в условиях серийного производства. Но ТТЛ-вентили не только дешевы сами по себе, но и дешевы в применении. При их использо­ вании не требуются сложные инженерные решения, а возможность построения систем с использованием значительно меньшего количе­ ства приборов (по сравнению с аналогичными системами на дискрет­ ных компонентах) снижает стоимость разработки и монтажа этих систем и повышает их надежность. Некоторые сложные функцио­ нальные СИС могут на первый взгляд показаться дорогими (в пере­ счете на корпус), однако если сравнить их стоимость со стоимостью тех вентилей, которые они заменяют, и учесть при этом получаемую экономию площади печатных плат, то оказывается, что чем выше сложность ИС, тем больше получаемая экономия затрат.

На рынке сбыта цена ИС зависит от спроса на нйх (как и от предложения). Накладные расходы и стоимость разработки ИС весьма значительны, поэтому цены могут быть низкими лишь при продаже схем большими партиями. По мере того как все большее количество потребителей осознают преимущества ТТЛ ИС и все большее количество поставщиков начинают их выпуск, происходит возрастание объема их производства и снижение цен.

В настоящее время достойных преемников ТТЛ ИС не видно. Любые конкурирующие с ними схемы должны либо обладать значи­ тельно лучщими характеристиками, либо стоимость изготовления их должна быть намного ниже, так как, пока цены на ТТЛ ИС дер­ жатся на низком уровне и пока между их поставщиками существует конкуренция, потребители .ТТЛ ИС по вполне понятным причинам не начнут применять ИС нового типа, которые почти наверняка сначала будут дороже ТТЛ ИС даже в том случае, если в перспективе они и дешевле их. у -

18 Глава 1

1.2. Краткая история ТТЛ ИС

Интегральные схемы появились в 60-х годах. В результате со­ вершенствования планарно-диффузионной технологии кремниевых приборов появилась возможность изготавливать на одном кристалле несколько транзисторов вместе с необходимыми резисторами и со­ единительными проводниками, чтб и послужило началом эры инте­

гральных схем.

Первое время изготовители полупроводниковых приборов вы­ пускали в интегральном исполнении логические схемы, которые раньше выполнялись на дискретных компонентах, поэтому первыми такими схемами стали ДТЛ ИС (диодно-транзисторные логические ИС) и ЭСЛ ИС (логические ИС с эмиттерными связями). Однако вскоре стало ясно, что новую технологию можно использовать для создания таких схем, которые вообще нельзя выполнить на дискрет­ ных компонентах. Оказалось, что для создания наиболее экономич­ ных ИС совсем не обязательно минимизировать количество транзи­ сторов в них. Стоимость .изготовления транзисторов и диодов в ИС одинакова. Хотя значения параметров компонентов в ИС могут изменяться в течение срока их службы (как и параметры дискретных компонентов), однако для всех компонентов, выполненных на одном кристалле, эти изменения (старение и дрейф) одинаковы, и поэтому схемы необходимо проектировать таким образом, чтобы использо­ вать тот факт, что такие параметры, как, например, отношение сопротивлений двух резисторов, практически не изменяются в тече­ ние всего срока службы ИС.

ТТЛ ИС были первыми схемами, которые разработаны с учетом специфики технологии изготовления интегральных схем. Первой появилась серия SUHL фирмы Sylvania, за ней была выпущена се­ рия HLTTL фирмы Transitron, затем серия 54/74 фирмы Texas Instruments. К настоящему времени наиболее новой является серия 9000 фирмы SGS— Fairchild. Коммерческая активность фирмы Texas Instruments сделала ИС серии 54/74 наиболее распространенными, в результате чего в конце 60-х годов почти все крупные полупровод­ никовые фирмы выпускали ТТЛ ИС серии 54/74 или ИС, непосред­ ственно с ними совместимые.

1.3. Конкуренты ТТЛ ИС

Другими типами логических ИС, которые могут конкурировать

сТТЛ ИС, являются (в порядке убывания быстродействия) ЭСЛ ИС, ДТЛ ИС и МОП ИС. ЭСЛ ИС обладают более высоким по сравнению

сТТЛ ИС быстродействием, однако это достигается за счет значитель­ но большей мощности, рассеиваемой схемой. Быстродействующие ЭСЛ ИС требуют более дорогую и сложную технологию монтажа радиоэлектронной аппаратуры, чтобы наиболее полно реализовать

их высокое быстродействие. Кроме того, ЭСЛ ИС значительно дороже ТТЛ ИС.

ДТД ИС обычно имеют меньшее быстродействие, чем ТТЛ ИС, потребляют несколько меньшую мощность и стоят дороже. Главным недостатком ДТЛ ИС является сложность точного расчета их быстро­ действия, так как задержка при выключении у них очень сильно зависит от величины емкости нагрузки. Две главные серии ДТЛ ИС, выпускаемые в настоящее время, совместимы с ТТЛ ИС и могут быть использованы в схемах совместно с ТТЛ ИС в тех случаях, когда требуются задержки от 30 нс до 0,5 мкс.

МОП ИС обычно обладают на порядок меньшим по сравнению с ТТЛ ИС быстродействием. Их основное преимущество в чрезвы­ чайно низкой рассеиваемой мощности и в больших возможностях построения на них БИС. Ряд поставщиков сложных функциональных МОП ИС выпускают схемы, электрически совместимые по входу и выходу с ТТЛ ИС.

При анализе стоимости систем в целом оказывается, что ТТЛ ИС обеспечивают в системах наилучшее соотношение между быстродейст­ вием и стоимостью. Их применение не требует сложных инженерных решений, а низкая стоимость обеспечивает экономическую целесооб­ разность создания систем с параллельной обработкой информации. Действительно, во многих случаях оказывается, что при одинаковых затратах эффективное быстродействие на уровне систем при исполь­ зовании ТТЛ ИС выше, чем при использовании наиболее быстро­ действующих ЭСЛ ИС.

1.4. Справочные материалы изготовителей ТТЛ ИС

Все изготовители ТТЛ ИС выпускают паспорта своих схем,

вкоторых приводятся значения большинства их параметров. Однако

внекоторых паспортах ряд параметров опущен; среди таких пара­ метров для потребителей важнейшими являются длительности фрон­ тов и ток, потребляемый от источника питания. Многие поставщики приводят так называемые «типовые» значения параметров, однако перед разработкой любых устройств никогда не мешает лично убе­ диться, насколько эти значения являются типовыми. Опыт автора показал, что в тех случаях, когда в паспорте не определены точные

значения какого-либо параметра, изготовители готовы обсудить эти значения и внести их в закупочную спецификацию, чтобы ликви­ дировать это упущение. При введении для этого дополнительных испытаний и проверок цена ИС обычно увеличивается, однако часто для интересующего параметра могут и не понадобиться дополнитель­ ные. испытания и проверка.

Многие поставщики также выпускают различные «Руководства по применению» и справочники. Эти материалы надо рассматривать с определенной осторожностью и необходимо все время помнить,