Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровая и микропроцессорная техника. Учебное пособие
.pdf
2.3. Интегральные микросхемы серии транзисторно-транзисторной логики с диодом Шоттки
2.3. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ СЕРИИ
ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ
С ДИОДОМ ШОТТКИ
В интегральных микросхемах транзисторно-транзисторной
логики с диодом Шоттки (ТТЛШ) используют диоды Шоттки,
которые не позволяют транзистору войти в режим насыщения,
что означает уменьшение времени задержки переключения и
увеличение быстродействия.
Базовым элементом ТТЛШ является элемент И-НЕ (рис. 2.6).
+Е
пит
VT1
R
1
R
3
VT4
R
5
VT5
U
вх1
U
вх2
VD1
VD2
VT2
VT6
R
R
4
2
R
6
U
вых
VT3
И НЕ
Рис. 2.6. Базовый элемент ТТЛШ
Если оба входных напряжения U
вх1
и U
имеют высокий
вх2
уровень, то транзисторы VT2 и VT6 открыты, на выходе элемента
устанавливается напряжение низкого уровня. Если хотя бы на
одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT2 и VT6 закрыты, а транзисторы VT4 и VT5 открыты, на
выходе элемента устанавливается напряжение высокого уровня.
Транзисторы VT4 и VT5 образуют так называемый составной
транзистор.
Технология ТТЛШ является разновидностью ТТЛ. Напряжение питания всех интегральных микросхем ТТЛ одинаково
31
Глава 2. Цифровые интегральные микросхемы
(5 В ± 10 %), входные и выходные логические уровни совместимы, что является необходимым условием совместного применения интегральных микросхем различных серий ТТЛ.
2.4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ СЕРИИ
КОМПЛЕМЕНТАРНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ–ОКСИД–
ПОЛУПРОВОДНИК И МЕТАЛЛ–ДИЭЛЕКТРИК–
ПОЛУПРОВОДНИК
Пределы миниатюризации у биполярных транзисторов находятся в области сотен нанометров, а у МОП-транзисторов – в
области единиц нанометров. За счет миниатюризации предельное быстродействие МОП-транзисторов значительно превосходит быстродействие биполярных транзисторов.
Основой для построения микросхем логических элементов
на транзисторах n-МОП и p-МОП типа являются соответствующие цифровые ключи. Пример ключа на полевых транзисторах
n-типа приведен на рисунке 2.7.
Схема базового логического элемента И-НЕ на однотипных
МОП-транзисторах с индуцированным каналом n-типа приведена на рисунке 2.8.
VT3
VT1
+Е
А
пит
y
+Е
с
VT2
Е
см
uвх(t)
Рис. 2.7. Ключ на полевых
VT1
транзисторах n-типа
VT2
х
1
u
(t)
вых
х
2
Рис. 2.8. Схема базового логического
элемента И-НЕ на полевых
транзисторах n-типа
Основные транзисторы VT1 и VT2 включены последовательно. Транзистор VT3 исполняет роль динамической нагрузки.
32
2.4. Интегральные микросхемы серии комплементарной структуры металл–оксид–полупроводник
В случае, когда на оба входа элемента подается напряжение высокого уровня (x1 = 1, x2 = 1), оба транзистора VT1 и VT2 оказываются открытыми и на выходе устанавливается напряжение
низкого уровня. Во всех остальных случаях, когда закрыт хотя бы
один из транзисторов VT1 или VT2, на выходе устанавливается
напряжение высокого уровня.
Для существенного уменьшения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используют комплементарные МОП-логические элементы. В данных элементах
применяют пары полевых транзисторов с одинаковыми параметрами, но один транзистор имеет затвор n-типа, а другой, соответственно, p-типа. Пример ключа на комплементарных полевых
транзисторах, выполняющего функцию инвертора НЕ, приведен
на рисунке 2.9.
Схема логического элемента, реализующего функцию ИЛИНЕ на КМОП-транзисторах, приведена на рисунке 2.10.
+Е
VT2
uвх(t)
Рис. 2.9. Ключ на комплементарных
выполняющий функцию
VT1
полевых транзисторах,
инвертора НЕ
с
u
(t)
вых
х
2
х
1
VT1
Рис. 2.10. Схема базового
логического элемента ИЛИ-НЕ
на КМОП-транзисторах
VT4
VT3
VT2
+Е
пит
y
Если все входные напряжения имеют низкие уровни, меньше
порогового напряжения транзисторов (логические переменные
x1 = 0, x2 = 0), то транзисторы VT1 и VT2 закрыты, VT3 и VT4
открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень. Если
хотя бы одно из входных напряжений имеет высокий уровень,
превышающий пороговое напряжение, то открывается один или
33
Глава 2. Цифровые интегральные микросхемы
оба транзистора VT1 и VT2, а между истоком и затвором одного
или обоих транзисторов VT3 и VT4 устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов VT3 и VT4, а следовательно, на выходе устанавливается
низкий уровень напряжения. Таким образом, этот элемент реализует функцию ИЛИ-НЕ и потребляет мощность от источника
питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.
Если обратить внимание на то, что при реализации логической функции ИЛИ-НЕ управляющие транзисторы VT1 и VT2
соединены параллельно, а комплементарные им нагрузочные
транзисторы VT3 и VT4 – последовательно, то можно построить
схему элемента И-НЕ, в которой управляющие транзисторы VT1
и VT2 должны быть соединены последовательно, а комплементарные им нагрузочные транзисторы VT3 и VT4 – параллельно
(рис. 2.11).
+Е
пит
VT3
VT1
х
1
х
2
VT2
Рис. 2.11. Схема базового логического элемента
И-НЕ КМОП-логики
VT4
y
2.5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ СЕРИЙ
ЭМИТТЕРНО-СВЯЗАННОЙ И ИНЖЕКЦИОННОЙ
ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЛОГИКИ
Основой базового логического элемента эмиттерно-связанной
логики (ЭСЛ) является переключатель тока, в одно из плеч кото-
34
2.5. Интегральные микросхемы серий эмиттерно-связанной и инжекционной интегральной логики
рого включено параллельно несколько транзисторов (рис. 2.12).
Данные транзисторы равноправны – отпирание любого из них
(или всех вместе) приводит к изменению логического состояния
переключателя.
R
К1
VT1
u
вх
I
Э
R
–Е
VT2
Э
пит
R
К2
U
вых1
U
вых2
U
оп
Рис. 2.12. Схема переключателя тока
Микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением.
На базу транзистора VT2 подается отрицательное постоянное
опорное напряжение. Изменение входного напряжения приводит
к перераспределению постоянного тока, заданного сопротивлением, между транзисторами, что является следствием изменения
напряжения на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим
насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ. Логика работы схемы (функция ИЛИ)
реализуется в выходных цепях переключателя тока.
Базовый элемент ЭСЛ получают дополнением в схеме токового переключателя транзистора VT1 параллельно включенными
транзисторами для увеличения числа входов, установкой схемы
источника опорного напряжения и включением в качестве выходных схем элемента ЭСЛ эмиттерных повторителей. Микросхемы ЭСЛ могут выполняться как со встроенными резисторами
в эмиттерах, так и с открытым эмиттером, когда сопротивления
эмиттерного повторителя являются внешними. Полученная в результате этих действий схема базового элемента ЭСЛ приведена
на рисунке 2.13.
35
Глава 2. Цифровые интегральные микросхемы
R
1
R
2
R
5
VT5
VT6
U
U
–Е
вых2
вых1
пит
VT4
U
вх1
U
вх2
VT1
TП ЭП
VT2
VT3
R
3
R
4
ИОН
VD
R
7
R
8
R
6
Рис. 2.13. Схема базового логического элемента ЭСЛ:
ТП – токовый переключатель; ИОН – источник опорного
напряжения; ЭП – эмиттерный повторитель
На транзисторы VT1 и VT2 подаются входные сигналы, и они
совместно с VT3 образуют токовый переключатель. Транзистор
VT4 с элементами R4, R5, R6 и VD является источником опорного
напряжения, задающим постоянное напряжение на базе транзистора VT3, который находится в активном режиме работы. На
транзисторах VT5 и VT6 реализованы эмиттерные повторители.
Цепи нагрузок транзисторов VT5 и VT6 (резисторы R7 и R8) могут быть вынесены за пределы микросхемы ЭСЛ, что расширяет
ее функциональные возможности.
Когда на все входы схемы подаются сигналы логического «0»,
транзисторы VT1 и VT2 закрыты, транзистор VT3 открыт. В результате транзистор VT6 будет закрыт, т. е. на его выходе установится более отрицательное напряжение (логический «0»), а
транзистор VT5 – открыт, т. е. на его выходе установится менее
отрицательное напряжение (логическая «1»). Если на любой из
входов подана логическая «1» (менее отрицательное напряжение,
чем на базе транзистора VT3), то откроется соответствующий
36
2.5. Интегральные микросхемы серий эмиттерно-связанной и инжекционной интегральной логики
транзистор, что приведет к перераспределению токов между этим
транзистором и транзистором VT3. После чего транзистор VT5
закроется, т. е. на его выходе установится большое отрицательное
напряжение (логический «0»), а транзистор VT6 откроется, т. е.
на его выходе установится логическая «1».
Таким образом, схема одновременно выполняет функции
ИЛИ-НЕ (U
) и ИЛИ (U
вых1
вых2
).
Интегральная инжекционная логика (ИИЛ, или И2Л) постро-
ена на использовании биполярных транзисторов и применении
оригинальных схемотехнических и технологических решений.
Для нее характерно экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы ИИЛ могут быть реализованы
только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике.
Топология логического элемента ИИЛ показана на рисунке 2.14. Для создания такой структуры требуются две фазы диффузии в кремнии с проводимостью n-типа: в процессе первой
фазы образуются области p1 и p2, в процессе второй фазы – области n2.
1 3
2
n
р
1
2
р
2
4
n
2
n
1
Рис. 2.14. Структура логического элемента ИИЛ
Элемент имеет четырехслойную структуру, которую удобно
рассматривать, представив ее соединением двух обычных трехслойных транзисторных структур. Транзистор VT2 выполняет
функции инвертора, имеющего несколько выходов (каждый коллектор образует отдельный выход элемента по схеме с открытым
коллектором). Транзистор VT1 называется инжектором. Так как
область n1 у этих транзисторов общая, эмиттер транзистора VT2
должен быть соединен с базой транзистора VT1. Наличие общей
области p2 приводит к необходимости соединения базы транзистора VT2 с коллектором транзистора VT1. Так образуется соединение транзисторов VT1 и VT2 (рис. 2.15).
37
Глава 2. Цифровые интегральные микросхемы
1 3 4
VT1
2
VT2
Рис. 2.15. Логический элемент ИИЛ
При подключении эмиттера транзистора VT1 через токоограничивающее сопротивление к источнику питания на этом
эмиттере действует положительный потенциал, а база транзистора VT1 находится под нулевым потенциалом. В результате эмиттерный переход транзистора VT1 оказывается смещенным в прямом направлении и транзистор VT1 открыт.
Коллекторный ток транзистора VT1 может замкнуться либо
через транзистор инвертора предыдущего элемента, либо через
эмиттерный переход транзистора VT2 данного элемента.
Если предыдущий логический элемент находится в открытом состоянии (открыт транзистор VT3), то на входе данного элемента низкий уровень напряжения, который, действуя на базе
VT2, удерживает этот транзистор в закрытом состоянии. Ток инжектора VT1 замыкается через транзистор VT3. При закрытом
состоянии предыдущего элемента (закрыт транзистор VT3) коллекторный ток инжектора VT1 втекает в базу транзистора VT2, и
этот транзистор устанавливается в открытое состояние.
Таким образом, при закрытом VT3 транзистор VT2 открыт и,
наоборот, при открытом VT3 транзистор VT2 закрыт. Открытое
состояние элемента соответствует состоянию логического «0»,
закрытое – состоянию логической «1».
Контрольные вопросы и задания
1. Перечислите классы логических элементов (логики).
2. Перечислите и охарактеризуйте основные статические характеристики и
параметры цифровых микросхем.
38
2.5. Интегральные микросхемы серий эмиттерно-связанной и инжекционной интегральной логики
3. Подпишите на графике входного и выходного сигналов инвертора основные динамические параметры микросхем. Охарактеризуйте каждый из них.
4. Перечислите преимущества и недостатки увеличения или снижения количества уровней дискретных сигналов.
5. Раскройте сокращение ТТЛШ.
6. Сколько эмиттеров может быть у транзистора в логических микросхемах?
7. Чем отличаются элементы ТТЛ с простым и сложным инвертором?
8. Чем отличается ЭСЛ от КМОП-логики?
9. Какова величина напряжения питания для ТТЛ, ТТЛШ микросхем?
10. Чем определяют помехоустойчивость логических элементов?
11. Сколько составляет время переключения ТТЛ, ТТЛШ микросхем?
39
ГЛАВА 3. ТИПОВЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ
3.1. СИСТЕМА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Логические элементы (вентили) — это наиболее простые
цифровые микросхемы. В одном корпусе микросхемы может располагаться от одного до шести одинаковых или разных логических элементов.
Обычно каждый логический элемент имеет несколько входов
(от одного до двенадцати) и один выход. При этом каждой комбинации входных сигналов элемента соответствует уровень «0»
или «1» на его выходе. У логических элементов нет внутренней
памяти. Их относят к группе так называемых комбинационных
микросхем. Однако, в отличие от более сложных комбинационных микросхем, логические элементы имеют входы, которые не
разделяют на группы по выполняемым ими функциям.
Логические элементы отличаются высоким быстродействием, малой потребляемой мощностью. На их основе реализуют
простые функции или их используют в качестве дополнения к
более сложным микросхемам.
Для простоты записи и понимания сложных логических схем
каждому логическому элементу соответствует условное обозначение, которое выражает его логическую функцию без указания на
реализованную в нем электронную схему.
Основные логические операции и соответствующие им условные графические обозначения на комбинационной схеме
представлены в таблице 3.1.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]