В

Ли и ла и-не

ЛЛ ИЛИ

ЛЕ ИЛИ-НЕ

ЛН НЕ

торым элементом маркировки является группа из трех или четырех цифр, обозначающая серию микросхем. Под серией понимается набор микросхем, изготовленных по единой технологии и близкими схемотехническими решениями. Третий элемент – это двухбуквенная комбинация, определяющая тип или функцию элемента, находящегося в данном корпусе. Для простейших логических элементов используются следующие обозначения. Последний элемент обозначения это число, определяющее разновидность конкретного устройства. Например: К155ЛА3 – микросхема, содержащая 4 элемента 2И-НЕ, КР1533ЛА4 включает 3 элемента 3И-НЕ, КМ555ЛН2 – шесть инверторов с открытым коллектором и т. д.

В приведенной таблице представлены усредненные параметры вентилей разных типов.

	ТТЛ			ТТЛШ
Серия	К155	К134	К131	К555	КР1533	К531	КР1531
Аналог	SN74	SN74L	SN74H	SN74LS	SN74ALS	SN74S	SN74F
t01 нС	20	120	12	15	10	5	3
t10 нС	15	80	10	15	10	5	3
Рср мВт	20	4	40	4	2	40	4
I0вх мА	1,6	0,2	2	0,4	0,2	2	0,6
I1вх мА	0,04	0,02	0,05	0,02	0,02	0,05	0,02
I0вых мА	16	4	20	8	4	20	20

2.6 Разновидности ТТЛ и ТТЛШ логических элементов.

В составе серий ТТЛ и ТТЛШ микросхем кроме базового выпускаются и другие разновидности вентилей. Для обычного вентиля коэффициент разветвления равен 10, а выходное напряжение логической единицы не превышает 3÷4В, однако в ряде случаев требуется обеспечить работу одного элемента на большее количество входов, а также на низкоомные и высоковольтные нагрузки.

С этой целью выпускаются специальные, так называемые буферные элементы, у которых в выходном каскаде используются более мощные транзисторы, благодаря чему коэффициент разветвления таких вентилей составляет 20-30 и более.

В некоторых ситуациях к выходу логического элемента требуется подключать не входы аналогичных, а исполнительные устройства, типа элементов индикации, электромагнитных реле и тому подобные. Причем, в ряде случаев питание этих устройств должно осуществляться от источников с напряжением более 5В.

Специально для этих целей разработаны логические элементы с открытым коллектором, которые имеют такую структуру. В коллекторной цепи выходного транзистора не устанавливается никаких дополнительных элементов. Это позволяет подключать внешнюю нагрузку либо к источнику питания логического элемента, или к иному с более высоким напряжением, не превышающим то, которое выдерживает выходной транзистор.

Т

акая схема может функционировать и как обычный логический элемент, однако для получения на выходе сигнала высокого уровня обязательно потребуется внешний резистор. Это связано с тем, что когда транзисторVT2 открыт на выходе присутствует практически нулевое напряжение, то есть он связан с общей шиной. Если VT2 заперт, то выход схемы в отсутствии внешнего резистора, окажется ни к чему не подключенным, «висящим в воздухе». Аналогичная картина будет и на входах, связанных с ним логических элементов. Формально эта ситуация воспримется как наличие сигнала логической единицы, но в целом система вентилей будет работать очень ненадежно из-за сильной подверженности воздействию помех.

С точки зрения быстродействия, вентиль с открытым коллектором уступает элементу с активным выходным каскадом, но позволяет электрически соединять выходы у таких устройств. Если попытаться провести аналогичную процедуру с обычными логическими элементами, то может нарушиться режим их работы.

Вследствие того, что вентили в общем случае управляются разными сигналами, состояния их выходов могут оказаться противоположными. При этом через выходные транзисторы начнут протекать сквозные токи, ограничиваемые только рез

исторами в коллекторных цепях и достигающие десятков миллиампер, что превышает нагрузочную способность стандартного вентиля. Нижний транзистор выходного каскада при таком токе выйдет из насыщения и уровень формируемого сигнала, не будет соответствовать ни логическому нулю, ни единице.

Теоретически такое объединение возможно, когда сигналы на входах меняются одновременно, в частности если входы соединены вместе. Однако это допускается только с вентилями, расположенными на одном кристалле, то есть размещенными в одном корпусе.

Д

анное обстоятельство связано с тем, что в этом случае разброс задержек переключения будет минимальным и не возникнет дополнительных сквозных токов. Если задержки отличаются, то при переключении одного вентиля, другой в течение некоторого интервала времени может находиться в противоположном состоянии, что вызовет протекание сквозных токов и появление неопределенных уровней выходных сигналов.

У вентиля с открытым коллектором этого не происходит, потому, что даже при разных сигналах на входах, ток выходного каскада будет ограничен достаточно высоким сопротивлением внешнего резистора, которое обычно выбирается порядка единиц килоом.

Использование таких устройств, позволяет схемотехнически реализовывать логические функции, не присущие самим элементам. Если два инвертора с открытыми коллекторами соединить следующим образом, то получится схема, реализующая функцию 2 ИЛИ-НЕ.

Действительно, когда на обоих входах присутствуют сигналы логических нулей, то выходные транзисторы вентилей заперты и на выходе схемы сформируется сигнал логической единицы за счет того, что выходной зажим оказывается подключенным к шине питания через резистор R. При других комбинациях сигналов будут открыты либо один, либо оба транзистора выходных каскадов, чему соответствует появление на выходе логического нуля. Такое схемотехническое решение называется реализацией монтажного или проводного ИЛИ.

В ряде случаев требуется реализовать логическую функцию от меньшего, чем количество входов у соответствующего логического элемента числа переменных. Если имеется элемент 4И-НЕ, а требуется реализовать функцию И-НЕ только от двух переменных, то эту проблему можно решить несколькими способами, основанными на использовании аксиом алгебры логики, в частности: ХХ=Х и Х1=Х.

Из первой следует, что лишние входы можно соединить с теми, на которые подаются переменные, причем разными способами. Действительно , либо. При этом во входных цепях немного возрастет ток логической единицы. Из второго соотношения можно сделать вывод, что на лишние входы требуется подать сигнал логической единицы..

В

принципе для этого можно, подсоединить незадействованные входы к источнику питания. Однако, так можно поступать не всегда и, в частности, данное решение не рекомендуется для ТТЛ вентилей.

Объясняется это тем, что при подаче логического нуля на любой из рабочих входов между базой многоэмиттерного транзистора и его эмиттером, соединенным с шиной питания будет действовать обратное напряжение величиной около 4 вольт. Напряжение пробоя перехода эмиттер-база высокочастотных транзисторов составляет порядка 6 вольт. Но из-за наличия помех в цепях питания в некоторые моменты времени обратное напряжение может превысить допустимое и вызвать пробой перехода, который повлечет за собой выход из строя транзистора и логического элемента.

Чтобы этого избежать требуется либо уменьшить напряжение логической единицы, либо ограничить ток пробоя на допустимом уровне. Первый вариант можно реализовать, используя дополнительный инвертор, вход которого соединен с корпусом, то есть на него подан сигнал логического нуля. В этом случае на выходе сформируется стандартный сигнал логической единицы и будет обеспечена надежная работа, связанных с таким инвертором вентилей. К одному выходу можно подключать до 20 незадействованных входов. Это число определяется нагрузочной способностью ТТЛ вентиля в состоянии логической единицы.

Другой вариант состоит в том, что незадействованные входы подключают к плюсовой шине источника питания, но через резистор сопротивлением порядка одного килоома. В этом случае если даже пробой произойдет, его ток будет ограничен резистором на уровне единиц мА и транзистор не выйдет из строя.

К одному резистору допускается подключать до 20 незадействованных входов логических элементов. Это объясняется тем, что в наихудшей ситуации через него потечет суммарный ток логических единиц всех входов величиной порядка 0,8 мА. При этом падение напряжения на резисторе составит около вольта, а сигнал логической единицы не снизится ниже 4 вольт, что с запасом превышает требуемый уровень. Входы логических элементов ТТЛШ серий, в которых применяются диодные сборки, можно непосредственно соединять с положительным полюсом источника питания, так как напряжение пробоя диодов выше, чем у перехода эмиттер-база транзисторов.

В принципе лишние входы можно вообще никуда не подключать, так как эта ситуация, воспринимается ТТЛ вентилем как наличие на них логической единицы. Однако на практике это решение не используется. С одной стороны, «висящие в воздухе» входы очень подвержены воздействию помех, а с другой - каждый такой вход вызывает увеличение задержек переключения примерно на 2 нС.

Это связано с тем, что при изменении управляющего сигнала, будет меняться потенциал базы многоэмиттерного транзистора, и напряжение на неподключенных эмиттерах, что приведет к перезаряду связанных с ними входных емкостей.

Проблема с лишними входами элемента ИЛИ-НЕ решается проще. Здесь можно воспользоваться соотношениями Х+Х=Х и Х+0=Х, из которых следует, что незадействованные входы можно соединять с рабочими, либо подавать на них сигнал логического нуля.

Следующая распространенная разновидность логических элементов имеет выходной каскад с тремя состояниями. У ранее рассмотренных вентилей выход мог находиться в состоянии логического нуля или единицы. Условно такое устройство можно представить в виде переключателя, у которого в одном положении подвижный контакт соединен с корпусом, а в другом с шиной питания.

П

ереключатель, моделирующий работу вентиля с тремя состояниями, имеет три положения, два из которых такие же, как и у предыдущего, а в третьем - подвижный контакт ни с чем не соединяется. В такой ситуации на него можно подавать внешние сигналы, так как в этом случае их источники ничем не будут нагружаться.

Такое свойство позволяет соединять вентили выходами и, тем самым, схемотехнически наращивать их логические возможности, а также использовать в двунаправленных линиях передачи данных. При этом выход только одного из логических элементов должен быть активным, то есть формировать соответствующие уровни напряжений, а у остальных - в третьем состоянии.

Ч

асто такое состояние выхода называется, Z-состоянием, состоянием высокого импеданса или высокого выходного сопротивления. Оно реализуется путем запирания сразу обоих выходных транзисторов. Это можно сделать видоизменив схему вентиля и добавив дополнительный вход управления, при определенном уровне сигнала на котором логический элемент будет переходить в третье состояние. Обычно этот вход обозначается ЕО (от английского enable out, что значит разрешение выхода).

Один из вариантов конфигурации логического элемента с такими свойствами выглядит следующим образом. В стандартный вентиль вводится диод VD2, соединенный со входом управления ЕО, который подключается к дополнительному эмиттеру многоэмиттерного транзистора.

При наличии на этом входе сигнала логической единицы, схема работает обычным образом, так как диод VD2 будет всегда закрыт. Если на вход разрешения подан сигнал логического нуля, то из-за перехвата дополнительным эмиттером базового тока МЭТ, закроется транзистор VT1 и связанный с ним VT3.

В обычном вентиле при этом открывается VT2 и на выходе формируется сигнал логической единицы. В данной схеме откроется диод VD2 и потенциал базы верхнего транзистора станет порядка 0,8-0,9 вольта, чего будет недостаточно для открывания VT2. При этом оба выходных транзистора окажутся запертыми. Сопротивление между контактом выхода и шинами земли и питания будет высоким и при наличии внешних сигналов на выходе вентиля, ток от их источника практически протекать не будет. Ток потребления в третьем состоянии для логического элемента серии К155 составляет около 3,7мА, то есть больше, чем в любом из активных, когда на выходе формируется сигналы логического нуля и единицы.

2.7 ЭСЛ логические элементы.

Увеличение объемов данных и рост сложности задач обработки цифровых сигналов потребовали существенного повышения производительности цифровых вычислительных машин. Этот показатель определяется многими факторами, в том числе и быстродействием цифровых логических элементов.

В логических элементах ТТЛ типа существенное повышение скорости переключения было обеспечено введением диодов Шоттки. Но, наряду с совершенствованием ТТЛ вентилей разрабатывались иные схемотехнические решения.

Как уже отмечалось, на быстродействие транзисторного ключа, который является основой любого логического элемента, влияют три основных фактора. Это частотные свойства транзисторов, процессы рассасывания неосновных носителей, накапливаемых в базе при их насыщении и перезаряд паразитных емкостей вызывающий затягивание фронтов соответствующих сигналов.

У

странить второй фактор можно, выбрав режимы работы транзисторов при которых они не входят в насыщение.Для ускорения процессов перезаряда необходимо уменьшать сопротивления соответствующих цепей, так как величины паразитных емкостей определяются габаритами и топологией элементов. Но при этом небольшое увеличение быстродействия вызывает существенный рост потребляемой мощности, что имеет свой предел, связанный с возможностями рассеяния выделяющегося тепла. Однако, возможен еще один подход к решению этой проблемы.

Пусть на вход логического элемента с пороговым напряжением U_пор поступает сигнал, изменяющийся во времени, как показано на рисунке. Очевидно, переключение элемента в новое состояние произойдет не ранее, чем через время t_з, определяемое величиной порогового напряжения и скоростью нарастания управляющего сигнала.

Если использовать логический элемент с меньшим, чем у первого порогом переключения U^_пор, то при той же форме сигнала задержка срабатывания t^_з будет тем меньше, чем ниже пороговое напряжение. Таким образом, в логических элементах с небольшими значениями уровней логического нуля и единицы, в которых транзисторы не входят в состояние насыщения, задержки переключения при тех же величинах паразитных емкостей и резисторов в соответствующих цепях, окажутся меньше, чем у высокопороговых. Однако этот класс элементов со своей схемотехникой уже не будет способен напрямую работать с ТТЛ вентилями.

Один из вариантов таких устройств - элементы ЭСЛ-логики, которые строятся на основе так называемых эмиттерно-связанных переключателей тока. Простейший из них имеет конфигурацию похожую на дифференциальный усилитель, но в отличие от него работает не в линейном, а в ключевом режиме и имеет только один вход.

П

ередаточную характеристику такого устройства можно построить, анализируя его работу при разных уровнях входного сигнала. ПриU_вх=0, за счет наличия источника отрицательного напряжения, включенного в цепи эмиттеров, оба транзистора оказываются открытыми и через них потекут токи и. Потенциалы эмиттеров при этом будут равны минус 0,6÷0,7 вольта, а коллекторов и соответственно. При этом ток через эмиттерный резистор определяется соотношением.

О

бычно параметры элементов в плечах токового переключателя тока выбираются попарно одинаковыми, поэтому можно считать, чтои. Если входное напряжение увеличивать, то левый транзистор начнет открываться, его коллекторный ток будет возрастать, а напряжение на коллекторе уменьшаться.

Так как напряжение U_эб слабо зависит от протекающего тока, что видно из входной характеристики транзистора, то с ростом будет увеличиваться потенциал эмиттеров, а, значит, станет уменьшаться разность потенциалов между эмиттером и базой правого транзистора, то есть он начнет запираться.

О

тсюда следует, что с ростом тока первого транзистора будет пропорционально уменьшаться ток второго и, соответственно расти напряжение на его коллекторе.

Вследствие того, что транзисторы работают в активном режиме, увеличения входного напряжения на 0,2 вольта будет достаточно для того, чтобы транзистор VT2 полностью закрылся. При этом U_к1 станет равным Е-I_э R _к1, а U_к2 = Е. Если сопротивления в цепях коллекторов выбрать небольшими, то открывающийся транзистор в не войдет насыщение. В данной ситуации весь ток эмиттерного резистора будет протекать через открытый левый транзистор схемы.

При дальнейшем увеличении входного напряжения потенциал коллектора правого (запертого) транзистора будет оставаться неизменным и равным напряжению источника питания, а в левом плече ток будет расти и продолжится падение напряжения на коллекторе, что при больших значениях входного сигнала, может привести к насыщению VT1.

Если на вход подать напряжение отрицательной полярности, то транзистор VT1 начнет закрываться, потенциал эмиттеров станет уменьшаться, что вызовет дальнейшее открывание VT2. Как и в предыдущем случае, изменения входного сигнала на доли вольта будет достаточно, чтобы ток резистора R_э полностью переключился в коллекторную цепь правого транзистора.

Таким образом, это устройство функционирует как переключатель тока из одного плеча в другое для чего требуется очень небольшое изменение входного сигнала. При этом на выходах схемы формируются перепады напряжения U=I_э R _к величины которых можно сделать равными U_вх У рассмотренного устройства два выхода, один из которых (Вых.1) является инвертирующим, а другой (Вых2) – неинвертирующим, так как изменения сигнала на нем повторяют соответствующие изменения управляющего воздействия на входе.

Рассмотренная схема будет обладать высоким быстродействием, так как в ней устранен ряд факторов, приводящих к его снижению. Однако, как следует из передаточной характеристики, такие элементы, не согласуются друг с другом по уровням входных и выходных сигналов, то есть не могут непосредственно соединяться.

Задача стыковки подобных устройств была решена путем усложнения схемотехники ЭСЛ вентиля и изменения структуры цепей его питания.

П

ринципиальная схема одного из вариантов реального логического элемента на переключателях тока (серия К500) выглядит следующим образом. Одна из его особенностей состоит в том, что используется однополярное питание, причем заземляется положительный полюс источника.

Кроме того, выходные сигналы снимаются с эмиттерных повторителей на транзисторах VT4 и VT5. Для обеспечения режима работы токового ключа используется источник смещения на транзисторе VT3 и диодах, которые применяются с целью температурной компенсации уходов этого напряжения.

При указанных усредненных номиналах элементов, потенциал базы VT3 имеет значение минус 0,6 вольта, потенциал его эмиттера будет равен примерно –1,35 вольта, а потенциал эмиттеров токового ключа составит –2,15 вольта.

Если на вход вентиля сигнал не подан, то транзистор VT1 будет закрыт, а VT2 открыт, но не насыщен, и через него потечет весь ток эмиттерной цепи, величиной около 2,6 мА. В этом случае потенциал коллектора правого плеча токового переключателя составит –0,8 вольта, а потенциал второго выхода будет –1,6 вольта, так как на эмиттерном переходе открытого транзистора VT5 падает напряжение порядка 0,8В.

При этом потенциал коллектора VT1 будет равен нулю, на первом выходе напряжение составит –0,8 вольта, а потенциал входа, «висящего в воздухе», то есть базы транзистора VT1 окажется на 0,8 вольта выше потенциала его эмиттера, то есть примерно -1,35 вольта.

Отсюда можно определить положение исходной точки на передаточной характеристике. Если на вход подать внешнее напряжение, равное его свободному потенциалу, то состояние схемы не изменится. Таким образом, при U_вх = -1,35 вольта, на первом выходе будет присутствовать напряжение –0,8 вольта, а на втором –1,6 вольта.

Д

анная ситуация сохранится пока транзистор VT1 заперт, то есть если входной сигнал изменяется в пределах от минус 1,35 вольта и ниже.

При приближении входного напряжения к нулю начнется процесс открывания транзистора VT1 и переключения токов в плечах каскада. В результате, при изменении потенциала входа от –1,35В до –1,15В, состояние вентиля изменится на противоположное, то есть транзистор VT1 откроется, а VT2 окажется запертым. В результате на первом выходе сформируется напряжение минус 1,6 вольта, а на втором минус 0,8 вольта.

Для ЭСЛ логики за логическую единицу принимают уровень напряжения близкий к нулю вольт, а за логический ноль более отрицательный потенциал. В принципе аналогичная ситуация наблюдается и для элементов, питающихся от источника напряжения положительной полярности. Сигналу с более положительным потенциалом приписывается значение логической единицы и наоборот.

Из передаточной характеристики ЭСЛ вентиля следует, что входные и выходные уровни логических сигналов у него согласованы, то есть, обеспечивается непосредственная работа таких логических элементов друг на друга.

Как видно из схемы, резисторы в коллекторных цепях переключателя тока отличаются друг от друга по сопротивлению. Это необходимо для выравнивания логических уровней на первом и втором выходах. Если на входе вентиля присутствует сигнал логического нуля, то ток через транзистор VT2 равен 2,6 мА, а когда входное напряжение будет соответствовать логической единице (–0,5÷–0,8 вольта), потенциал эмиттеров токового переключателя возрастет и ток через VT1 станет примерно 2,9 мА. В данной ситуации для выравнивания перепадов напряжения на коллекторах транзисторов переключателя тока необходимо уменьшение сопротивления резистора в левом плече.

Питание элементов ЭСЛ логики от источника с заземленным положительным полюсом используется в связи с тем, что при этом обеспечивается привязка уровней логических сигналов к нулевому и уменьшается чувствительность к помехам, что важно, так как перепады управляющих сигналов невелики.

В выходных каскадах ЭСЛ вентиля применяются эмиттерные повторители. Они обладают свойством уменьшать проникновение помех из шины питания на выход схемы. Если зафиксировать потенциал базы (установить его равным U₀), то л

юбые изменения напряжения в цепи питания эмиттера (помехиU_пом) будут передаваться на выход ослабленными.

Коэффициент ослабления зависит от параметров транзистора и сопротивления в эмиттерной цепи и определяется соотношением Кроме того, при таком способе питания схема не боится коротких замыканий выхода на корпус, так как в таком случае ток потечет через эмиттерные резисторы выходных каскадов и не превысит единиц мА.

Данное обстоятельство, а также использование встроенного источника опорного напряжения позволяет не предъявлять жесткие требования к параметрам питания. Допускается отклонение величины его напряжения в пределах . Применение эмиттерных повторителей, обладающих низким выходным сопротивлением, позволяет уменьшить времена перезаряда емкостей нагрузки.

В отличие от ТТЛ логических элементов, ток потребления ЭСЛ вентиля при переходе из одного состояния в другое практически не изменяется и составляет около 7,5 мА. Его средняя потребляемая мощность составляет порядка 40 мВт при задержках примерно 2-3 нС. Входной ток логической единицы равен примерно 0,3 мА, а логического нуля 0,5 мкА. Коэффициент разветвления достигает нескольких десятков и, в определенной мере, зависит от сопротивлений эмиттерных резисторов выходных каскадов.

В некоторых разновидностях ЭСЛ элементов эти резисторы не устанавливаются и образуется схема с открытым эмиттером. Это с одной стороны позволяет объединять элементы выходами, а с другой - подбором величин сопротивлений осуществлять согласование с линиями передачи. Чтобы можно было стыковать вентили с открытыми эмиттерами, между базой входного транзистора и отрицательным полюсом источника питания вводят дополнительный резистор сопротивлением в несколько десятков килоом.

Д

ля превращения ЭСЛ вентиля в логический элемент, обрабатывающий несколько входных переменных, параллельно VT1 подключают требуемое количество дополнительных транзисторов, соединенных следующим образом. В этом случае при наличии логической единицы на любом из входов, соответствующий транзистор откроется и перехватит весь ток эмиттерного резистора на себя. На первом выходе сформируется уровень логического нуля, а на втором – единицы. Это состояние будет сохраняться, пока на все входы одновременно не поступят логические нули, что вызовет изменение ситуации на выходах на противоположную.

Р

абота двухвходового логического ЭСЛ элемента может быть описана такой таблицей истинности. Из нее видно, что по первому выходу реализуется операция 2ИЛИ-НЕ, а по второму 2ИЛИ. На схемах такой элемент обозначается следующим образом.

В ходе развития схемотехники и технологии ЭСЛ вентилей были разработаны несколько разновидностей так называемых субнаносекудных элементов, в частности серия К1500, и серия 6500 на основе арсенида галлия. В них при тех же, что и у обычного ЭСЛ вентиля мощностях потребления, задержки составляют порядка 0,8÷1нС. и 0,2÷0,3нС соответственно.

Структура новых поколений ЭСЛ элементов существенно отличается от рассмотренной ранее. Схема одного из вариантов вентиля, который относится к классу так называемых ЭЭСЛ или Э²СЛ и его передаточная характеристика выглядят следующим образом. Здесь эмиттерные повторители перенесены с выходов на входы, а коллекторные резисторы зашунтированы транзисторами в диодном включении.

Изменение конфигурации схемы и номиналов резисторов позволило уменьшить потребляемую мощность при более высоком быстродействии и осуществить привязку уровней выходных сигналов к потенциалу общей шины.

По уровням входных и выходных сигналов ЭСЛ элементы не стыкуются с ТТЛ и ТТЛШ. Поэтому обычно они применяются в составе функционально законченных узлов, а при необходимости совместной работы с элементами других серий используются специальные согласующие устройства.

2.8 Логические элементы на КМОП структурах.

Для создания логических вентилей кроме биполярных используются и полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП или МДП транзисторы). Обычно применяется их разновидность, относящаяся к классу МОП транзисторов с индуцированным каналом, который может иметь проводимость как n, так и р типов.

Структуру такого транзистора с индуцированным р каналом можно условно представить следующим образом. В слой n-полупроводника, который называется подложкой, вводятся д

ве сильнолегированных области противоположногор типа проводимости, выводы от которых называются сток и исток. Сверху формируется слой двуокиси кремния, либо другого диэлектрика, на который напыляется металлический электрод, называемый затвором.

Для работы такого транзистора p-n переходы сток-подложка, исток-подложка должны быть заперты, поэтому на подложку подается максимально возможный положительный потенциал, либо она соединяется с истоком, который является при этом общим электродом. Напряжение на стоке относительно истока должно иметь отрицательную полярность.

Так как при этом оба перехода закрыты, ток между стоком и истоком не потечет. Однако если на затвор подать отрицательное относительно истока или подложки напряжение, то дырки, имеющиеся в ней, будут подтягиваться электрическим полем в подзатворную область. При достаточно большой их концентрации, которая зависит от величины отрицательного потенциала затвора, между стоком и истоком образуется сплошной проводящий слой из дырок – канал, который соединит две p-области.

В этом случае через транзистор начнет протекать ток, обусловленный перемещением носителей одного типа – дырок. Эта ситуация окажется возможной, если напряжение на затворе, превысит некоторый уровень, который называется пороговым.

При дальнейшем увеличении его отрицательного потенциала проводимость канала станет возрастать за счет подтягивания в подзатворную область дополнительных дырок, и ток через транзистор будет увеличиваться. Отсюда следует, что зависимость тока стока от напряжения на затворе, так называемая, стоко-затворная характеристика такого транзистора будет иметь следующий вид. В данном приборе, токопроводящий канал p-типа наводится, или, как говорят, индуцируется электрическим полем затвора.

С

уществует аналогичная структура с другим порядком чередования слоев полупроводника – МОП транзистор с индуцированным n-каналом. Его стокозатворная характеристика будет аналогична предыдущей, но при противоположных полярностях напряжений.

Н

а принципиальных схемах такие транзисторы изображаются следующим образом. Используя их, можно создать аналоги ключа, то есть инвертирующего усилителя прямоугольных импульсов и построить логические элементы. Особенностью структур на полевых транзисторах является отсутствие входных токов и более высокая технологичность изготовления.

Исторически первыми были разработаны логические элементы на транзисторах с индуцированным p-каналом (серия К120, К172). Задавая для полевых транзисторов режим работы в омической области, оказалось возможным использовать их и вместо резисторов в стоковых цепях. Таким образом, были созданы логические элементы состоящие из одних транзисторов. Однако, вследствие высоких значений пороговых напряжений и значительных сопротивлений каналов, первые разновидности вентилей на полевых транзисторах оказались достаточно медленными и неэкономичными.

Значительно улучшить характеристики логических элементов удалось после разработки технологических процессов изготовления на одном кристалле МОП транзисторов с разными типами проводимости и создания так называемых комплементарных, или, КМОП-структур.

Е

е основой является пара полевых транзисторов с индуцированными каналами разного типа проводимости, имеющих одинаковые характеристики и соединенных следующим образом. Сумма их пороговых напряжений может быть как больше, так и меньше, напряжения источника питания. Рассмотрим ситуацию, когда. В этом случае при нулевом, относительно корпуса напряженииU_вх нижний транзистор окажется закрытым, а верхний будет открыт. Это объясняется тем, что между его затвором и истоком прикладывается напряжение равное Е-U_вх большее, чем пороговое.

При повышении уровня входного сигнала потенциал затвора нижнего n-канального транзистора будет увеличиваться, а разность потенциалов между истоком и затвором верхнего – уменьшаться. В этой ситуации выходной зажим схемы через сопротивление канала открытого транзистора VT1 подключен к положительному полюсу источника питания и на выходе действует напряжение +Е.

Когда входное напряжение превысит пороговое транзистораVT2, тот откроется и при дальнейшем росте входного сигнала сопротивление его канала станет уменьшаться, а сопротивление канала еще не закрытого транзистора VT1 будет продолжать возрастать. Это видно из совместных вольтамперных характеристик транзисторов, входящих в состав устройства.

В

этом случае образуется делитель напряжения из сопротивлений каналовR_K1, R_K2 и потенциал выхода будет определяться соотношением их величин . Так как при увеличении входного напряжения сопротивление канала транзистораVT2 уменьшается, а у VT1 возрастает, то напряжение на выходе станет снижаться.

Когда уровень входного сигнала превысит величину равную разности между напряжением источника питания и пороговым напряжением верхнего,р-канального транзистора, тот закроется, так как разность потенциалов между его истоком и затвором станет меньше порогового уровня и схема перейдет в другое состояние. Ее выход окажется соединенным с корпусом через сопротивление канала нижнего МОП транзистора и выходной сигнал станет равным нулю.

И

з передаточной характеристики следует, что данная схема ведет себя как инвертор, причем уровни входных и выходных сигналов у него оказываются согласованными. Это позволяет непосредственно соединять аналогичные устройства друг с другом.

Ток от источника питания потребляется КМОП инвертором лишь в момент его переключения, то есть, когда оба транзистора открыты. В состоянии логического нуля и логической единицы он равен нулю, таким образом теоретически такой вентиль при этом не потребляет энергии от источника питания, так как и по цепям управления токи не протекают. Эта одна из особенностей КМОП структур, отличающая их от вентилей других типов и позволяющая строить на их основе аппаратуру с очень малым энергопотреблением.

Однако данное утверждение справедливо лишь, если частоты переключения КМОП элементов невелики, так как с их ростом будет возрастать средний ток, а, следовательно, и потребляемая мощность. В принципе небольшая мощность от источника питания, потребляется всегда. Это объясняется наличием утечек и протеканием токов перезаряда паразитных емкостей. На низких частотах она составляет единицы – десятки микроватт, а с ростом частоты переключения возрастает до единиц и более милливатт на вентиль.

Особенностью КМОП структур является теоретически бесконечный коэффициент разветвления, так как входные токи цепей затворов можно в первом приближении считать равными нулю. Однако реально, из-за наличия утечек и влияния паразитных емкостей по входным цепям будут протекать токи их перезаряда. С ростом количества нагружаемых входов будет происходить затягивание фронтов выходных сигналов и увеличение задержек переключения.

Сопротивления каналов открытых полевых транзисторов, используемых в первых разработках КМОП вентилей (серии К176, К561) составляют единицы килоом. В связи с этим задержки переключения при нагрузке в несколько десятков входов находятся в пределах от 100 до 300÷500 наносекунд. Такой большой их разброс обусловлен еще одной особенностью КМОП вентилей, а именно их способностью работать в широком диапазоне изменений напряжения источника питания.

При изменении напряжения питания входной уровень логического нуля сохранится, а напряжение сигнала логической единицы будет увеличиваться, либо уменьшаться в зависимости от того, в какую сторону меняется напряжение источника питания. Как следует из передаточной характеристики, согласование вентилей при этом обеспечивается.

Однако при снижении напряжения источника питания, условие может нарушиться. В этом случае если входное напряжение равно нулю, то, как и в предыдущей ситуации, нижний транзистор будет заперт, а верхний открыт. На выходе вентиля сформируется сигнал высокого уровня с напряжением близким к +Е, ток через структуру протекать не будет.

Когда входное напряжение достигнет величины Е-U⁰_р , то верхний транзистор закроется, а нижний n-канальный еще не откроется. При этом реализуется ситуация аналогичная третьему состоянию ТТЛ элементов, то есть выходной зажим окажется ни с чем не связанным и его потенциал станет неопределенным. Ток от источника питания, в этой ситуации потребляться также не будет.

П

ри дальнейшем увеличении управляющего сигнала, когда его уровень превысит пороговое напряжение нижнего (n-канального) полевого транзистора, и он откроется, верхний уже будет надежно заперт. На выходе сформируется нулевой потенциал, то есть сигнал логического нуля, а ток опять не будет потребляться. Таким образом, КМОП инвертор нормально функционирует и в этой ситуации, однако у него появляется зона неопределенности.

Это плохо с точки зрения помехоустойчивости, так как в данном случае затворы транзисторов подключенных к выходу инвертора вентилей будут ни с чем не связаны, а вследствие очень высокого сопротивления входных цепей они сильно подвержены наводкам. Для обеспечения надежной работы в этом случае необходимо обеспечить прохождение данной зоны за время меньшее задержек переключения.

Таким образом особенностью КМОП вентилей является возможность их работы при изменениях напряжения питания в очень широких пределах, в частности у микросхем серии К1561 оно может лежать в диапазоне +3÷15В.

Однако величина этого напряжения сильно сказывается на быстродействии логических элементов. Это связано с тем, что с ростом напряжения питания увеличиваются и уровни управляющих сигналов на затворах транзисторов, а следовательно уменьшаются сопротивления их каналов в открытом состоянии. Соответственно ускоряются переходные процессы перезаряда паразитных емкостей, и уменьшаются времена задержек переключения. Так, если при Е=+5В средние задержки элементов серии К1561 лежат в пределах 150÷200нС, то при напряжении питания 15В они уменьшаются более, чем в два раза.

Относительно высокие сопротивления каналов полевых транзисторов определяют небольшие значения допустимых токов нагрузки. Реально они составляют доли мА и увеличиваются с ростом напряжения питания. При превышении этих токов, будут определенным образом изменяться уровни выходных сигналов (возрастать напряжение логического нуля и падать сигнал логической единицы).

Из передаточной характеристики КМОП вентиля следует, что диапазон изменения значений входного напряжения, не приводящий к переключению схемы довольно широк и реально составляет до 30% от напряжения источника питания. Этими же цифрами определяется и допустимый уровень помех.

Рассмотренные КМОП логические элементы обладают рядом специфических особенностей, в частности очень малым энергопотреблением, но относительно низким быстродействием, что и определяет соответствующие области их применения, а именно переносная аппаратура, узлы от которых требуется длительная автономная работа и т.п.

В отличие от ТТЛ и ЭСЛ структур в которых имеются базовые элементы, реализующие в первом случае операцию И-НЕ, а во втором ИЛИ-НЕ, при использовании КМОП узлов достаточно просто удается создать элементы, реализующие как первую, так и вторую функции.

С

хема логического элемента 2И-НЕ выглядит следующим образом. При наличии логического нуля на любом из входов, один из последовательно соединенных транзисторов нижнего плеча будет закрыт, а связанный с ним верхний – открыт. На выходе при этом сформируется сигнал с напряжением близким к +Е, то есть логическая единица.

И лишь, если на входы подать сигналы высокого уровня, то оба нижних транзистора откроются, а верхние окажутся закрытыми. На выходе появится нулевой потенциал, что соответствует формированию сигнала логического нуля.

В

схеме 2ИЛИ-НЕ последовательно и параллельно соединенные транзисторы как бы меняются местами и здесь только при наличии логических нулей на обоих входах, на выходе появится сигнал высокого уровня, то есть логическая единица.

Еще одним важным узлом КМОП схем является так называемый двунаправленный ключ, который в одном состоянии пропускает сигналы со входа на выход и обратно, а в другом размыкает связь между ними. В принципе это аналог механического переключателя, но в полупроводниковом исполнении.

Т

акой ключ состоит из двух параллельно соединенных МОП транзисторов разного типа проводимости, управляемых противофазными сигналами. Если на вход управления подать нулевой сигнал, тор-канальный (верхний) транзистор будет открыт, на затворе n-канального (нижнего), вследствие наличия инвертора, появится напряжение близкое к +Е и он тоже откроется. В этом случае сигналы смогут проходить как со входа на выход, так и в противоположную сторону, так как участок между объединенными стоками и истоками транзисторов будет вести себя подобно резистору с сопротивлением от десятков до сотен Ом.

При подаче на управляющий вход сигнала логической единицы, то есть напряжения высокого уровня, оба транзистора закроются и связь между входом и выходом разорвется. Использование таких ключей в ряде случаев позволяет существенно упростить схемотехнику цифровых элементов, так как это дает возможность применять для их синтеза аппарат переключательных функций.

В

принципе, аналоговыйключ можно выполнить и на одном, к примеру n-канальном транзисторе, включив его таким образом. Здесь при положительном напряжении на затворе, равном напряжению источника питания, образуется токопроводящий канал и входной сигнал должен проходить на сопротивление нагрузки.

Однако, с увеличением уровня входного напряжения положительной полярности разность потенциалов между истоком и затвором транзистора станет уменьшаться, при этом начнет возрастать сопротивление его канала. Когда напряжен

ие на затворе относительно истока станет меньше порогового, транзистор закроется. У такого ключа зависимость сопротивления канала от величины входного напряжения имеет следующий вид. То есть он не сможет передавать в нагрузку сигнал, соответствующий уровню логической единицы, так как сопротивление канала окажется бесконечным.

У р-канального транзистора подложка должна быть соединена с плюсом источника питания и, чтобы его открыть на затвор потребуется подать нулевой потенциал. Ключ на таком транзисторе начнет открываться, если напряжение входного сигнала превысит пороговое значение . С увеличением уровня сигнала положительной полярности сопротивление канала полевого транзистора и соответственно ключа будет падать.

Если два транзистора разного типа проводимости включить параллельно, то с ростом сопротивления канала у одного из них, оно будет уменьшаться у другого и наоборот. В итоге эквивалентное сопротивление открытого ключа окажется небольшим и слабо зависящим от напряжения входного сигнала.

Особенности полевых транзисторов, входящих в состав КМОП вентилей требуют достаточно аккуратного обращения с соответствующими микросхемами. Структуру затвор - окисел - слой полупроводника (подложка) можно представить как некоторый конденсатор, обкладками которого являются токопроводящие области затвора и подложки, а диэлектриком – окисел. Емкость такого конденсатора для маломощных транзисторов невелика и составляет единицы – десятки пикофарад при толщине окисла в доли микрона.

На теле человека и на разных предметах всегда имеются заряды статического электричества, причем при определенных условиях их потенциал может достигать сотен и более вольт. Если прикоснуться предметом с таким потенциалом к затвору МОП транзистора, произойдет пробой слоя диэлектрика и транзистор, а соответственно и вентиль выйдут из строя.

Ч

тобы снизить вероятность пробоя и уменьшить сложности при работе с КМОП логическими элементами в них вводятся специальные устройства защиты по входным, а также и выходным цепям. Наиболее распространенный вариант защиты входной цепи выглядит следующим образом.

В цепь затворов полевых транзисторов вводятся три диода и резистор. Пока уровни управляющих сигналов не превышают нулевого и напряжения источника питания, диоды закрыты и никак не влияют на работу схемы. Если по каким либо причинам входной сигнал начнет выходить за допустимые пределы в положительную сторону, то откроются верхние диоды и ограничат его на уровне +Е. При появлении входного сигнала отрицательной полярности откроется нижний диод и уровень напряжения на затворе также будет ограничен величиной прямого падения напряжения на нем, то есть ~ -0,7 вольта.

Резистор в цепи защиты используется для ограничения выходного тока вентиля, к которому подсоединяются входы аналогичных устройств. Данный ток возникает из-за перезаряда входных емкостей в ходе переключении логического элемента. При большом количестве подключенных входов, суммарная емкость нагрузки получается значительной и, соответственно, большими будут и токи перезаряда. Это может вызвать перегрузку выходного каскада и появление в течение относительно длительного времени неопределенных значений управляющих сигналов.

Приведенная схема защищает входные цепи КМОП вентиля в основном от воздействия очень маломощных зарядов статического электричества. Если же на вход, при наличии такой цепочки подать напряжение высокого уровня от достаточно мощного источника, то протекающие при этом токи могут разрушить защитные диоды.

Кроме того, наличие защиты накладывает определенные ограничения на режимы работы КМОП схем. Это связано с тем, что при введении диодной защиты возникают паразитные p-n-p-n – структуры, которые являются переключающими приборами и при входном напряжении большем, чем напряжение питания, они могут включиться.

При этом резко возрастает ток, потребляемый вентилем, начинается его разогрев и вполне возможен выход из строя. Поэтому на КМОП логические элементы с защитой в первую очередь должно быть подано напряжение питания, а затем управляющие сигналы, не превышающие его по величине.

2.9 Способы согласования логических элементов.

Как уже отмечалось, одну и ту же логическую операцию можно выполнить как на ТТЛ, так на ЭСЛ и КМОП элементах. Если не требуется высокое быстродействие но предъявляются жесткие условия по величине потребляемой мощности, то целесообразно использовать КМОП устройства. Для узлов со средним и высоким быстродействием подойдут ТТЛШ, а в очень высокочастотную аппаратуру потребуется устанавливать ЭСЛ элементы, несмотря на их высокое энергопотребление.

Как уже отмечалось, в цифровых устройствах одновременно могут обрабатывться, как быстро, так и медленно меняющиеся сигналы. Очевидно, что в этом случае целесообразно часть узлов выполнить на КМОП элементах, а остальные на ТТЛШ, или иных. Но при этом возникает проблема стыковки таких вентилей друг с другом, то есть обеспечения их согласованной работы.

Вопросы стыковки необходимо рассматривать в двух аспектах: согласование по напряжениям и токам. В ряде случаев, в частности, когда уровни входных и выходных сигналов вентилей разных типов близки, их совместная работа реализуется без каких-либо дополнительных элементов. В других ситуациях требуются специальные согласующие устройства, которые приводят в соответствие выходные и входные уровни напряжений и токов связываемых элементов.

Рассмотрим, как можно обеспечить работу ТТЛ вентиля на КМОП при питании их от одного источника с напряжением +5В. Для анализа ситуации удобно использовать представленную диаграмму. Здесь заштрихованные зоны соответствуют допустимым уровням логического нуля и единицы на выходе ТТЛ и на входе КМОП вентилей.

И

з сопоставления соответствующих значений напряжений следует, что сигнал логического нуля, формируемый ТТЛ вентилем будет восприниматься аналогичным образом входом КМОП логического элемента. При этом допустимый выходной ток ТТЛ вентиля составляет 16мА, а входные токи КМОП структур можно считать практически равными нулю. Таким образом, в данном состоянии согласование по току и напряжению будет обеспечено.

Е

сли же на выходе ТТЛ вентиля формируется единичный сигнал, то согласование по току реализуется, но напряжение логической единицы не попадает в диапазон, воспринимаемый как логическая единица КМОП элементом. Следовательно, для стыковки уровень этого напряжения требуется искусственно поднять.

Это можно сделать, установив внешний резистор сопротивлением порядка единиц килоом между выходом логического элемента и плюсом источника питания.

Действие резистора сводится к запиранию диода в эмиттерной цепи верхнего транзистора (когда нижний закрыт) за счет подачи на его катод положительного потенциала от источника питания.

Ситуация аналогична той, которая наблюдается у вентиля с открытым коллекторным выходом при запертом транзисторе нижнего плеча. В принципе, уровень логической единицы будет зависеть от тока нагрузки, но с учетом практического отсутствия входных токов у КМОП вентилей это обстоятельство в данном случае не играет роли.

И

спользование ТТЛ элементов с открытым коллектором и высоковольтными выходными транзисторами позволяет осуществить согласование ТТЛ и КМОП вентилей и при питании их от источников с разными напряжениями. Это можно сделать следующим образом.

Иногда возникает необходимость управления ТТЛ вентилем от КМОП логического элемента, причем при их питании как от одного так и от разных источников. В первом случае напряжение питания выбирается равным +5В и диаграммы уровней выходных и входных сигналов будут выглядеть следующим образом.

В

ыходные напряжения логического нуля и единицы КМОП вентиля попадают в соответствующие зоны входных сигналов ТТЛ. Однако, такие уровни выходных напряжений обеспечиваются КМОП вентилем при токах нагрузки порядка 0,1 мА.

В состоянии логической единицы проблем согласования по токам нет, так как входной ток ТТЛ логического элемента, не превышает 0,04 мА. Но, сформировать на выходе обычного КМОП вентиля сигнал с уровнем логического нуля для ТТЛ не удастся, так как его входной ток составляет порядка 1 мА, а напряжение не должно превышать 0,7 вольта.

КМОП логический элемент обеспечит такой ток, но при этом его выходной каскад будет работать с перегрузкой и уровень сигнала на выходе превысит воспринимаемый ТТЛ вентилем, как логический ноль.

Данная проблема может быть решена путем параллельного соединения нескольких синхронно работающих КМОП элементов. Суммарный выходной ток возрастет пропорционально их количеству при сохранении уровней выходного сигнала. Однако, в этом случае потребуется значительное количество типовых вентилей, которые к тому же могут обладать различными задержками переключения, что приведет к появлению сквозных токов и снижению надежности работы устройств.

Поэтому в состав КМОП серий цифровых микросхем включаются специальные согласующие элементы с умощненными выходными каскадами, способными обеспечивать работу с одним ТТЛ входом.

Е

сли же КМОП вентили питаются от источника с напряжением более пяти вольт, то использовать для согласования элементы со стандартной диодной защитой нельзя. В этом случае требуется применение специальных вентилей с измененной схемой защиты, которые допускают подачу управляющих сигналов с уровнями большими, чем напряжение источника питания и схема согласования будет выглядеть следующим образом.

Совершенствование технологии изготовления МОП транзисторов, в частности уменьшение их размеров, использование иной геометрии, разработка новых схемотехнических решений позволило создать новый класс быстродействующих КМОП цифровых логических элементов и схем на их основе.

Применение затворов из поликристаллического кремния дало возможность снизить пороговые напряжения полевых транзисторов, а совершенствование их структуры – создать приборы с малыми сопротивлениями каналов в открытом состоянии. Это обеспечило повышение быстродействия и увеличение нагрузочной способности КМОП логических элементов.

Разработана и выпускается серия цифровых микросхем К1564 (аналог 74HC), у которых задержки распространения составляют порядка 10÷15 нС, максимальная величина выходных токов равна 4÷5 мА, а напряжение питания лежит в пределах +3÷5 В. По параметрам они соответствуют ТТЛШ логике среднего быстродействия (серия К555), однако обладают всеми особенностями, присущими КМОП логическим элементам, в частности очень малым энергопотреблением на низких частотах и высокой помехоустойчивостью.

Микросхемы этой серии могут функционировать совместно с элементами ТТЛ логики без дополнительных согласующих узлов. Кроме того, такие элементы выпускаются в конфигурации и с разводкой выводов полностью совпадающей с аналогичными ТТЛ устройствами, что дает возможность производить замену последних, не меняя конфигурации печатных плат, но улучшая параметры соответствующих устройств, в частности по энергопотреблению.

Дальнейшее совершенствование КМОП технологии привело к созданию логических элементов, выпускаемых в составе серии К1554 (аналог 74AC). У них при том же диапазоне напряжений питания задержки переключения составляют 3-4 нС, при выходных токах более 20 мА, что соответствует лучшим образцам быстродействующих ТТЛШ вентилей.

Рост сложности задач, решаемых с помощью цифровых устройств, приводит к усложнению их структуры, и, в частности, к увеличению количества логических элементов, требуемых для реализации соответствующих узлов. С целью обеспечения высокой надежности таких устройств необходимо уменьшать число межсоединений между элементами печатных плат, что требует увеличения степени интеграции, то есть роста количества узлов, располагаемых на одном кристалле. Решить эту задачу оказалось возможным лишь существенно уменьшив размеры транзисторов и других элементов вентиля и снизив их энергопотребление, с тем, чтобы рассеиваемая узлом мощность не превышала предельно допустимую.

С одной стороны это достигается применением КМОП структур, а с другой – уменьшением напряжение питания таких устройств. В результате появились функционально законченные сложные цифровые узлы содержащие совокупности логических элементов, выполненных методами интегральной технологии, с напряжениями питания: 3,3, 2,8 вольта и менее. Однако, в ряде случаев, выходные сигналы таких устройств требуют дополнительной обработки (умощнения, организации передачи), которая может проводиться посредством элементов стандартной логики с пятивольтовым питанием.

Для обеспечения их взаимодействия схемы выходных каскадов низковольтных вентилей модернизируют таким образом, чтобы обеспечить на выходе уровень логической единицы, не менее 2,4 В, который является стандартным для ТТЛ и ТТЛШ логики.