2.2 Основные параметры и характеристики логических элементов.

Чтобы описать свойства и особенности логических элементов, вводится система параметров. Их смысл удобно пояснить, используя соответствующие характеристики, то есть зависимости токов и напряжений в различных точках логического элемента от каких-либо воздействий. Обычно параметры приводятся для простейшего функционально законченного логического элемента, которым можно считать инвертор, так как другие элементы могут быть получены путем добавления к нему соответствующих узлов. Такой простейший логический элемент часто называется вентилем.

О

дна из наиболее информативных характеристик логического элемента –передаточная, представляющая собой зависимость выходного напряжения от входного. Для реальных вентилей она имеет следующий вид. При изменении входного сигнала от 0 до U⁰_{вх max} на выходе вентиля присутствует напряжение U¹_вых, а в диапазоне от U¹_{вх min} и выше, сигнал с уровнем U⁰_вых. В промежутке U¹_{вх min} - U⁰_{вх max} происходит переключение вентиля. Данная характеристика определяет возможность стыковки вентилей друг с другом, то есть правильной работы при непосредственном подключении выхода одного ко входу другого.

Входной сигнал будет восприниматься как логический ноль, если он лежит в пределах от 0 до U⁰_{вх max}, и как логическая единица при U_вх U¹_{вх min}. Если выходной уровень логического нуля меньше, чем U⁰_{вх max}, а уровень логической единицы на выходе больше U¹_{вх min}, то непосредственная работа вентилей друг с другом возможна, в противном случае – нет. Из передаточной характеристики можно определить допустимые диапазоны изменения соответствующих сигналов.

Следующей важной характеристикой вентиля является нагрузочная. Она отражает характер изменений выходных сигналов в состоянии логического нуля и единицы в зависимости от токов, которые протекают через его выходной каскад. Эта характеристика имеет следующий вид. Для вентилей любой структуры с ростом токов нагрузки выходное напряжение логического нуля возрастает, а логического нуля падает, что объясняется увеличением потерь в его элементах.

И

з выходной характеристики следует, что существуют предельные значения токов нагрузки как в состоянии логического нуля по выходу, так и в состоянии логической единицы. При их превышении уровни выходных сигналов выходят за пределы нормально воспринимаемые по входу, и при этом напряжение на выходе вентиля будет иметь промежуточное значение, не соответствующие ни логическому нулю, ни единице. Такое состояние устройства, называется неопределенным.

Любой логический элемент при подаче на вход управляющих сигналов, потребляет некоторый ток по входной цепи. Эти токи для входных уровней логического нуля и единицы обозначаются I⁰_вх и I¹_вх, и могут существенно отличаться друг от друга. С увеличением числа подключаемых к выходу вентиля входов аналогичных устройств будут расти токи, нагружающие его выходной каскад и начнут меняться уровни выходных напряжений. При выходе их за допустимые пределы нарушится работа связанных между собой вентилей.

Отсюда следует, что должны быть определенные ограничения на максимальное количество вентилей (входов), которые можно подключать к выходу аналогичного узла. Это число называется коэффициентом разветвления и определяется делением максимального тока нагрузки на величину входного тока логического элемента в соответствующем состоянии. Значения коэффициентов разветвления для выходных состояний логического нуля и единицы часто существенно различаются. Но так как вентиль может находиться в любом из них, то для оценки его свойств используют минимальное значение этой величины.

Элементы, входящие в состав вентиля обладают конечным быстродействием, что является одной из причин задержки изменений его выходного состояния по отношению ко входным воздействиям. Условно это можно показать следующим образом.

Д

ля оценки быстродействия логических элементов используются параметры, которые называются временами или задержкамивключения t¹⁰ и выключения t⁰¹. Они определяются между серединами фронтов соответствующих входных и выходных сигналов. Обычно, включенным или активным считается состояние вентиля, при котором на его выходе формируется сигнал логического нуля, а выключенным – противоположное.

К другим параметрам, которые используются для сравнения и описания характеристик логических элементов относятся: напряжение питания, ток и мощность потребления. Они, могут быть разными, в зависимости от того в каком состоянии находится вентиль. Поэтому часто энергетические оценки ведут по средним значениям этих величин.

Для сравнения вентилей разных типов, используется показатель, называемый работой переключения. Она определяется как произведение среднего времени задержки на среднюю мощность потребления и показывает какая работа затрачивается на переход из одного состояния в другое.

В настоящее время цифровые логические элементы выпускаются методами интегральной технологии, позволяющей на одном кристалле кремния сформировать транзисторы, резисторы, а когда требуется и конденсаторы. Схемотехника и элементная база вентилей может быть самой разнообразной. В качестве активных элементов используются как биполярные, так и полевые транзисторы разных типов и в различных комбинациях.

Интегральные цифровые логические элементы и более сложные узлы на их основе выпускаются так называемыми сериями, то есть наборами, содержащими разнообразные устройства, выполненные по единой технологии и имеющими общую схемотехнику. Элементы микросхем одной серии допускают непосредственную стыковку друг с другом, с учетом нагрузочной способности. Если технологии и схемотехника разных серий отличаются незначительно, то оказывается возможной совместная работа элементов этих серий. В случае, когда различия существенные, требуется использовать специальные устройства для согласования элементов друг с другом.

В настоящее время применяется несколько схемотехнических и технологических решений для изготовления цифровых микросхем. Это:

• ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика

• Т

  

  ТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки

• ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика

• КМОП – логика на комплементарных полевых транзисторах с изолированными затворами.

Простейшие логические элементы обычно реализуют стандартные логические функции от одной или нескольких переменных. На схемах они изображаются следующим образом и называются по имени соответствующей функции.

Существует лишь две разновидности одновходовых логических элементов. Один из них не меняет значения входной переменной и называется повторителем, или буферным элементом, а другой реализует функцию отрицания - НЕ. Он формирует выходной сигнал, являющийся инверсией входного и называется – инвертор.

Р

аботу логических элементов как и свойства логических функций, удобно описывать с помощью таблиц. Для двухвходовых элементовИЛИ и ИЛИ-НЕ они будет такими.

И

з анализа таблиц вытекает, что функциюИЛИ можно реализовать проинвертировав выходной сигнал элемента ИЛИ-НЕ. Схемотехнически это выглядит таким образом.

Р

ассмотрим, что произойдет, если соединить входы у двухвходовых элементов. При этом на оба входа будет подаваться одинаковый сигнал. Воспользовавшись правилами алгебры логики, получим,,. Таким образом, элементы2И и 2ИЛИ будут выполнять функции буферных, а 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ - инверторов.

В алгебре логики действуют соотношения, которые называются законами Де-Моргана

Из них следует, что инверсия логического произведения переменных равна логической сумме их инверсий, а инверсия суммы есть произведение инверсий переменных. Из этих соотношений следует, что любую логическую функцию, содержащую и произведения и суммы, можно представить лишь через две операции - сложение и инверсию (ИЛИ и НЕ) либо умножение и инверсию (И и НЕ). Для технической реализации представленных таким образом функций могут быть использованы однотипные логические элементы И-НЕ, либо ИЛИ-НЕ. Кроме того, из сочетательного закона алгебры логики следует, что, переменные можно обрабатывать не все сразу, а по парам, расставляя, где надо в выражениях скобки.

Кпримеру, реализация функцииY=X1+X2+X3+X4 потребует четырехвходового логического элемента ИЛИ. Однако, преобразовав ее к виду Y=(X1+X2)+(X3+X4), либо Y=(X1+(X2+(X3+X4))) можно обойтись тремя двухвходовыми, соединив их следующим образом.

Следовательно, логическую функцию от любого количества переменных можно реализовать, используя лишь двухвходовые элементы, выполняющие операции 2И-НЕ, либо 2ИЛИ-НЕ. Поэтому элементы такого типа называются базисными или базовыми.

Р

ассмотрим, к примеру, как в базисеИЛИ-НЕ реализовать функцию И-НЕ для двух переменных Х1и Х2. Воспользовавшись правилами Де-Моргана, можно записать: , то есть, чтобы получить нужную функцию требуется проинвертировать входные переменные, а затем сложить их без инверсии, что реализуется при показанном соединении элементов2ИЛИ-НЕ.

Аналогичным образом из однотипных элементов можно построить любое сколь угодно сложное цифровое устройство вплоть до микропроцессоров. Однако на практике на основе простейших логических элементов создают различные функционально-законченные узлы, из которых собирается все остальное.

В зависимости от схемотехнических решений базовым элементом серии может быть элемент И-НЕ, либо ИЛИ-НЕ. В то же время существуют серии микросхем, в которых достаточно просто удается создать любую требуемую конфигурацию и там базовый элемент выделить затруднительно.

2.3 Транзисторный ключ.

Транзисторный ключ является основой любого логического элемента и представляет собой усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Его упрощенная схема имеет следующий вид.

При нулевом входном напряжении по коллекторной цепи протекает небольшой по величине начальный ток и напряжение на выходе ключа при отсутствии внешней нагрузки будет равно. При подаче входного напряжения положительной полярности в базовой цепи транзистора потечет токи ток в выходной цепи должен быть вβ раз больше. Под β понимается коэффициент усиления транзистора по току. Однако, из-за наличия коллекторного резистора, он будет ограничен величиной .

Данную ситуацию можно пояснить, используя семейство статических выходных характеристик биполярного транзистора и нагрузочную характеристику ключа. Выходная характеристика представляет собой зависимость коллекторного тока от напряжения между эмиттером и коллектором при некотором фиксированном токе базы, а их совокупность - семейство строится для разных значений базовых токов.

Нагрузочная характеристика, которая называется нагрузочной прямой, графически отображает связь между током и напряжением в выходной цепи ключа. Аналитически эта связь описывается уравнением, график которого – прямая линия, проходящая через точку Е (при коллекторном токе, равном нулю) ипри нулевом напряжении между коллектором и эмиттером.

Однако данное уравнение является идеализированным, так как при нулевом базовом токе ток в цепи коллектора не обращается в нуль и между коллектором и эмиттером полностью открытого транзистора присутствует некоторое напряжение. Из совокупности выходных и нагрузочной характеристик следует, что с ростом тока базы рабочая точка каскада будет приближаться к линии, определяющей режим насыщения транзистора, и выходное напряжение ключа никогда не сможет стать меньше величины , которое лежит в пределах 0,1 – 0,3 вольта.

В таком режиме оба перехода биполярного транзистора смещаются в прямом направлении, а по цепи базы протекает ток больший, чем требуется для его открывания, то есть для обеспечения коллекторного тока . При этом в области базы накапливаются избыточные неосновные носители, которые при необходимости запереть транзистор должны быть выведены оттуда через внешние цепи.

Отношение коллекторного тока, который мог бы протекать в схеме при заданном токе базы (в отсутствие резистора в коллекторной цепи) к максимальному току ограниченному им, называется степенью насыщения транзистораS. Ее величина определяется из следующего соотношения

Если за обозначить ток базы при котором в коллекторной цепи потечет ток, то есть максимально возможный в данной схеме, то степень насыщения можно определить следующим образом. Из анализа вольтамперных характеристик следует, что чем выше степень насыщения, тем меньше остаточное напряжение ключа.

Однако от степени насыщения определенным образом зависит быстродействие схемы, то есть скорость перехода транзистора из включенного состояния в выключенное и наоборот. Пусть на вход ключа поступает импульс прямоугольной формы положительной полярности.

В идеальном случае по цепи базы и коллектора должен потечь ток такой же формы, а на выходе сформироваться прямоугольный импульс с перепадом напряжения Е-0-Е.

Однако из-за конечной скорости движения носителей в базе, ток коллектора транзистора нарастает по экспоненциальному закону и при отсутствии ограничительного резистора он достиг бы величины за время, которое является константой для конкретного транзистора. Данная ситуация, отображена на соответствующем графике штриховой линией.

Из-за того, что максимальный ток в коллекторной цепи будет ограничен на уровне, длительность переднего фронта импульса коллекторного тока составит, гдеS – степень насыщения транзистора. Отсюда следует, что с уменьшением степени насыщения, длительность переднего фронта импульса коллекторного тока и соответственно выходного напряжения будет увеличиваться, а с уменьшением – наоборот. В открытом состоянии транзистора на выходе ключа формируется напряжение .

Выключение транзистора произойдет лишь после того, как из базы будут выведены все ранее накопленные избыточные носители и транзистор выйдет из состояния насыщения, в котором его коллекторный ток практически не зависит от базового. Таким образом, ток в цепи коллектора начнет уменьшаться с некоторой задержкой по отношению к моменту снятия управляющего сигнала. Эта задержка будет тем значительнее, чем больше была степень насыщения.

В период закрывания транзистора форма напряжения на выходе схемы будет отличаться от формы тока коллекторной цепи. Данное обстоятельство объясняется процессами перезаряда паразитных емкостей С_н, связанных с выходной цепью ключа. Они складываются из собственных емкостей транзистора, емкости монтажа, нагрузки и т. п.

При включении эти емкости быстро разряжаются через низкое сопротивление открытого транзистора, а при выключении они начинают заряжаться через сопротивление его коллекторной цепи. Скорость заряда будет обратно пропорциональна произведению.

Данные эффекты (задержки срабатывания) приводят к запаздыванию и замедлению переключения логических элементов, связанных с выходом вентиля, в котором используется такой ключ.

Для уменьшения задержек требуется решить достаточно сложную задачу – добиться, чтобы в момент включения степень насыщения транзистора была максимальной, а к моменту выключения она приблизилась к единице.

Это можно сделать, используя так называемый ускоряющий конденсатор С_у, подключенный параллельно резистору в базовой цепи транзистора ключа. Сопротивление базового резистора R_б должно выбираться таким, чтобы в установившемся режиме степень насыщения транзистора была немногим больше единицы.

Влияние ускоряющего конденсатора можно пояснить следующей временной диаграммой. В исходном состоянии конденсатор разряжен и поэтому в момент поступления входного импульса практически все напряжение оказывается приложенным к переходу эмиттер-база транзистора. Это вызовет появление в базовой цепи значительного тока и переход транзистора в состояние глубокого насыщения, что приведет к его быстрому включению.

Во время действия входного сигнала ускоряющий конденсатор заряжается и ток, протекающий по базовой цепи будет уменьшаться. После заряда конденсатора транзистор станет поддерживаться в открытом состоянии лишь током протекающим в цепь базы через резистор при котором степень насыщения транзистора окажется небольшой.

В момент перехода входного напряжения от положительного значения к нулевому, левая обкладка конденсатора окажется подключенной к общему проводу и к базе будет приложено отрицательное (запирающее) напряжение, обеспечивающее ускоренный вывод накопленных ранее неосновных носителей. При этом процесс выключения транзистора произойдет достаточно быстро.

Однако, требования, которые предъявляются к величине емкости ускоряющего конденсатора, достаточно противоречивы. С одной стороны она должна быть большой, чтобы обеспечить высокую степень насыщения на все время включения транзистора. С другой стороны конденсатор должен успевать полностью заряжаться во время действия импульса и разряжаться в течение паузы между входными сигналами.

В связи с большим разбросом параметров транзисторов и их зависимостью от температуры и режимов, подобрать оптимальную величину емкости ускоряющего конденсатора при массовом производстве таких узлов затруднительно. Кроме того, конденсаторы, большой емкости сложно изготавливать методами интегральной технологии.

Другой, более оптимальный метод повышения быстродействия транзисторных ключей основан на использовании цепи нелинейной обратной связи, через которую излишки тока, приводящие к насыщению транзистора, отводятся из базы. Схемотехнически это реализуется путем включения между коллектором и базой транзистора быстродействующего диода, прямое падение напряжения на котором должно быть меньше, чем напряжение открывания перехода коллектор-база.

Вэтом случае по входной цепи ключа может протекать сколь угодно большой ток, так как при попытке транзистора войти в насыщение (потенциал коллектора в этом случае становится более отрицательным, чем потенциал базы и переход база-коллектор смещается в прямом направлении) первым откроется диод, и излишки тока будут выведены из базовой цепи в коллекторную. То есть транзистор окажется полностью открытым, но не войдет в насыщение. В базовой цепи не будет накоплено излишков неосновных носителей и процесс запирания транзистора произойдет гораздо быстрее, чем в насыщающемся ключе.

Уровень выходного напряжения в открытом состоянии в ключе с нелинейной обратной связью определяется соотношением , гдепадение напряжения на диоде в открытом состоянии. Он оказывается несколько выше (0,3÷0,4 вольта) чем у ключа с насыщающимся транзистором (0,1÷0,2 вольта). Когда транзистор заперт, в таком же состоянии находится диод, и он практически не влияет на работу схемы.

Как уже отмечалось, для реализации метода нелинейной обратной связи требуются быстродействующие диоды с малым падением напряжения в прямом направлении. Технически данную идею удалось реализовать лишь после разработки технологии изготовления полупроводниковых диодов с контактом металл-полупроводник, которые называются диодами Шоттки и обозначаются на схемах следующим образом.Их особенность в том, что протекание тока обуславливается движением только основных носителей, что приводит к высокому быстродействию таких структур. Прямое падение напряжения у данной разновидности диодов составляет 0,4÷0,5 вольта, что ниже порога открывания кремниевыхp-n переходов (0,6÷0,8 В)