ЦУМ / ddm-lectures

21

На рисунке обозначено также: t1,0 и t0,1 – время перехода из

состояния логической единицы в состояние логического нуля и из состояния логического нуля в состояние логической единицы соответственно; t1,0зд и

tзд0,1 – время задержки включения и выключения соответственно.

Быстродействие элемента характеризуют также минимально допустимой длительностью τи входного импульса и максимально допустимой рабочей

частотой f р (частотой перепадов входного напряжения).

Наилучшим быстродействием обладает эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). Высокое быстродействие имеют также ТТЛ-элементы с диодами Шотки (ТТЛШ).

5. Средняя потребляемая мощность

Pпотср = 0,5(Pпот1 + Pпот0 ),

где Pпот1 и Pпот0 – потребляемая мощность в состоянии логической

единицы (1 на выходе микросхемы) и логического нуля соответственно. Эти

значения потребляемой от источников питания мощности измеряются в случае предельной нагрузки микросхемы. Они определяют его экономичность, степень нагрева, а значит, и габариты выполняемого на таких микросхемах устройства.

Наиболее экономичной является НСТЛМ – транзисторная логика с непосредственными связями на МОП-структурах (т. е. на полевых транзисторах с индуцированным каналом). НСТЛМ реализуется на транзисторах с p-каналом либо на дополняющих МОП-структурах (т.е. на транзисторах с противоположными типами проводимости каналов). Последний вариант иногда называют комплементарной логикой (КМОП). Он характеризуется наибольшей экономичностью.

6. Работа переключения (обобщенный параметр)

22

A = Pпот ср tзд р ср

Наименьшее значение A имеет КМОП. За ней следует И3Л, далее И2Л [7, с. 9,10,11,13]. Здесь И2Л – инжекционная интегральная логика. Ее разновидность И3Л – изопланарная И2Л. См. также [8, с. 64,65].

7.Коэффициент объединения по входу n – число входов элемента, т.

е. максимальное число входных сигналов, над которыми может быть осуществлено логическое преобразование. Наибольшее n имеют ТТЛ и ДТЛ.

8.Коэффициент разветвления по выходу m или нагрузочная способность – это максимальное количество единичных нагрузок, которые можно подключить одновременно к выходу микросхемы. Без нарушения нормального функционирования микросхемы. Причем единичной нагрузкой считается один вход микросхемы данной серии. Наибольшее m имеет ЭСЛ.

Эквивалентную схему нагруженной микросхемы можно представить согласно рисунку, где напряжения обозначены стрелками так, что при

положительном обозначенном напряжении острому концу стрелки соответствует более высокий потенциал, чем ее началу (при отрицательном – наоборот). На рисунке e и Rвых образуют эквивалент выходной цепи данной

микросхемы. Т. е. Rвых – выходное сопротивление микросхемы (между ее

выходом и корпусом), а e – эквивалентная э.д.с., равная выходному напряжению ненагруженной микросхемы (при отключении нагрузки ток через Rвых не течет, значит, падение напряжения на этом сопротивлении

отсутствует и uвых = e ). Эквивалент нагрузки данной микросхемы

приведенной схеме образует m параллельно соединенных единичных нагрузок. Каждая из них представлена параллельным соединением входного сопротивления Rвх некоторой последующей микросхемы (сопротивления

между каким-либо входом этой микросхемы и корпусом) ее паразитной

23

входной емкости Cвх и источника входного тока iвх . В упрощенном виде

рассматриваемую эквивалентную схему можно представить согласно рис. 6.,

где Rн = Rвх m ; Cн = mCвх ; iн = miвх .

Воспользуемся последней схемой для анализа нагрузочной способности микросхемы. Различают статическую и динамическую нагрузочную способность. Рассматривая вначале статическую нагрузочную способность, определим выходное напряжение по окончании переходного процесса. При этом все токи и напряжения в схеме (рис. 6) постоянны, в частности, uвых = const . Следовательно, ток через емкость Cн не течет и ее

можно не учитывать. К тому же по теореме об эквивалентном генераторе

Причем, как отмечалось раньше, при «положительной» логике должно

выполняться

U1 ³U1min , (5)

U 0 £Umax0 . (6)

других случаях рассуждения и результаты аналогичны). К тому же будем

считать I1вх < 0 и Iвх0 > 0, что согласно (3) и (4) является наихудшим случаем

с точки зрения необходимости выполнения (5) и (6), а для ТТЛ-элемента И-НЕ соответствует действительности. Тогда в соответствии с (3) нагрузка

обусловливает уменьшение уровня U1 и за счет влияния второго слагаемого

в правой части (4) может вызвать увеличение U 0.

Поэтому статической нагрузочной способностью можно назвать максимальное число m единичных нагрузок, которые можно подключить

одновременно к выходу микросхемы без уменьшения уровня выходного напряжения логической единицы U1 и без увеличения уровня логического

соответственно.

С учетом изложенного величина m в формулах (3) и (4) совпадает со статической нагрузочной способностью при условии, что здесь U1 =U1min ,

U 0 = Umax0 . Тогда из (3) – (6) следует, что для увеличения статической нагрузочной способности m необходимо увеличивать E1, R1вх и уменьшать

слагаемого в правой части формулы, определяющей U 0). Если считать, что на рис. 2 сплошной линией показана зависимость uвых(uвх) для

нагруженного элемента, то с учетом проведенного анализа статическая зависимость uвых(uвх) = e(uвх) для ненагруженного ТТЛ-элемента И-НЕ

будет иметь вид, показанный пунктиром (рис. 2).

Для рассмотрения динамической нагрузочной способности воспользуемся схемой (рис. 6). Здесь заряд и разряд паразитной емкости Cн

наряду с другими инерционными явлениями, протекающими в микросхемах, будет замедлять процесс изменения выходного напряжения uвых при

перепаде напряжения uвх на входе нагруженной микросхемы. Поэтому uвых

будет изменяться тем медленнее, чем больше постоянная времени схемы

(рис. 6)

входным для последующих микросхем. Значит, напряжение на выходе

последующей микросхемы может начать изменяться лишь после пересечения

25

порогового уровня выходным напряжением предыдущей микросхемы. В результате, по мере распространения перепада напряжения по цепочке последовательно соединенных микросхем, он будет задерживаться все больше. Сказанное поясняют рис. 8 и рис. 9.

Таким образом, нагрузка обусловливает увеличение задержки распространения, т. е. ухудшение быстродействия. Поэтому динамической нагрузочной способностью можно назвать максимальное число m единичных нагрузок, которые можно подключить одновременно к выходу микросхемы без ухудшения быстродействия по сравнению с заданным, которое характеризуется заданной величиной задержки. Очевидно, что при этом не должна превышать некоторой заданной величины постоянная времени τ . Согласно (7), где τ будем считать заданным, для повышения динамической нагрузочной способности m необходимо уменьшать Cвх , Rвых , Rвх . Однако

возможности уменьшения Rвх ограничены соображениями повышения

статической нагрузочной способности.

Следует учесть, что в (7) величина m является динамической нагрузочной способностью лишь тогда, когда τ в этой формуле является максимально допустимым.

26

Понятие о монтажной логике

[4, с. 50…54; 5, с. 60, 73, 187, 189, 192; 6, с. 83…109, 143, 144; 7, с. 9…11, 13, 14, 434, 435; 8, с. 6, 62…65, 73…94]

На практике довольно широко используются микросхемы с открытым коллектором. В таких микросхемах коллектор выходного транзистора подключается напрямую к выходу логического элемента, без использования дополнительных элементов.

Такие микросхемы могут использоваться для управления некоторыми внешними элементами (катушка электромагнитного реле, лампочка накаливания, светоизлучающий диод, линия задержки и т. п.), которые к тому же могут работать от других источников питания. При этом

перечисленные элементы включаются между выходом микросхемы с открытым коллектором, т. е. между коллектором выходного транзистора и источником питания. Причем при правильно выбранных параметрах схемы

выходной транзистор должен насыщаться при логической единице на всех входах элемента.

Рассмотрим следующее соединение микросхем с открытым коллектором.

Здесь Eп – напряжение питания. Данное соединение логических

элементов реализует логическое преобразование

F = X0X1 × X2X3 × X4X5 .

Поэтому часть схемы, обведенную пунктиром называют монтажной или проводной логикой, а точнее – «монтажным И». Эту часть схемы условно обозначают следующим образом [4, с. 50…54]

27

Такое обозначение называют также псевдоэлементом «монтажное И». Ромб на условном обозначении показывает, что это не микросхема, а способ соединения выходов микросхем.

Можно показать, что последняя формула эквивалентна следующей:

F = X0X1 + X2X3 + X4X5 ,

т. е. соответствует преобразованию И-ИЛИ-НЕ.

Отметим, что в качестве сопротивления R могут использоваться и резистор и упомянутые выше нестандартные нагрузки, а выход F при этом может отсутствовать.

Упомянутые элементы с открытым коллектором иногда обозначают иначе [5, с. 60, 73; 8, с. 6]

Микросхемы с открытым коллектором имеются не только в ТТЛ и ТТЛШ, но и в И2Л и ее разновидностях. Причем для И2Л схема с открытым

коллектором является основной и ее использование для реализации «монтажного И» является типовым [7, с. 10]

«Монтажное ИЛИ», т. е. псевдоэлемент

реализуется при объединении выходов микросхем ЭСЛ. Причем и при наличии у микросхем так называемого открытого эмиттера (открытого эмиттерного повторителя), так и при его отсутствии. Разница в том, что первый случай предполагает использование внешнего резистора, включаемого между выходом микросхемы (или нескольких микросхем) и источником некоторого напряжения смещения [5, с. 168; 6, с. 83…109; 7, с. 13, 14, 30…32, 434, 435; 8, с. 6, 62…64].

Это объясняется тем, что выходы базовых элементов ЭСЛ являются выходами эмиттерных повторителей, т. е. эмиттерами транзисторов.

28

Причем в случае открытого эмиттера у этих повторителей внутри микросхемы отсутствует резистор R в эмиттерной цепи. Такой резистор и подключают вне микросхемы.

Обычно в схеме −Eсм = −2 В.

Уровень логического нуля на выходе устанавливается, когда транзистор близок к запиранию (т. е. режиму отсечки). При этом ток через резистор R пренебрежимо мал. Значит, уровень логического нуля на выходе близок к −Eсм = −2 В. При логической единице ток транзистора через

резистор R увеличивается настолько, что выходное напряжение повышается примерно до –1 В.

Символ микросхемы с открытым эмиттером имеет вид .

Для ЭСЛ базовым являются элементы ИЛИ-НЕ / ИЛИ [5, с. 186; 6, с. 83…86]. Схемы их использования при монтажной логике имеют вид [6, с. 103…105].

29

Резисторы, показанные на этих двух схемах пунктиром, используются, если микросхемы имеют открытый эмиттер.

Для первой схемы

F0 = ( X0 + X1) + ( X2 + X3) = X0 + X1 + X2 + X3;

F1 = X0 + X1 + X2 + X3 = (X0 + X1)×(X2 + X3).

С учетом последней части второго равенства нижнюю обведенную пунктиром часть первой схемы иногда называют «монтажным И», обозначая

[6, с. 103, 104].

Для второй схемы

F0 = X0 + X1 + X2 + X3 ;

F1 = X0 + X1;

F2 = X2 + X3 .

Выходы типа «открытый коллектор» и «открытый эмиттер» могут иметь не только логические элементы, но и другие микросхемы. Такие выходы имеются, в частности, у многих микросхем запоминающих устройств. При наращивании емкости запоминающих устройств путем

использования нескольких микросхем широко используется монтажная логика.