2.3. Системы логических элементов

Системой (комплексом или серией) логических элементов ЭВМ на­зывается предназначенный для построения цифровых устройств функ­ционально полный набор логических элементов, объединяемый общи­ми электрическими, конструктивными и технологическими параметра­ми, использующий одинаковый способ представления информации и одинаковый тип межэлементных связей. Система элементов чаще всего избыточна по своему функциональному составу, что позволяет строить схемы, более экономные по числу использованных элементов. Системы элементов содержат элементы для выполнения логических операций, запоминающие элементы, элементы, реализующие функции узлов ЭВМ, а также элементы для усиления, восстановления и форми­рования сигналов стандартной формы.

Элементы представляют собой микроминиатюризованные инте­гральные электронные схемы (микросхемы), сформированные в кри­сталле кремния с помощью специальных технологических процес­сов. В большинстве современных систем (серий) элементов имеются микросхемы малой степени интеграции (ИС), средней степени интегра­ции (СИС) и большой степени интеграции (БИС). Логические элементы в виде схем ИС реализуют совокупность логических операций, таких, как И, ИЛИ, И - ИЛИ, И - НЕ, ИЛИ -НЕ, И- ИЛИ - НЕ и триг­геры. Логические элементы на микросхемах СИС и БИС реализуют узлы ЭВМ.

Основными параметрами системы логических элементов являются уровни питающих напряжений и уровни сигналов для представления логических 0 и 1, нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу), помехоустойчивость, рассеиваемая мощность, быстродей­ствие.

Основные, наиболее часто употребляемые типы интегральных эле­ментов, — это потенциальные элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), потенциальные элементы транзисторной логики с эмиттерными связями (ЭСЛ) и элементы на МОП-транзисторах.

Схемы ТТЛ относятся к интегральным логическим элементам среднего быстродействия. Время задержки сигнала в элементе ТТЛ составляет 10—30 нс. Нагрузочная способность схем ТТЛ допускает подключение к выходу элемента до десяти логических схем.

Более высоким быстродействием обладают интегральные микро­схемы с эмиттерными связями (ЭСЛ), в которых транзисторы не вхо­дят в насыщение. Элементы ЭСЛ работают по принципу переключе­ния токов при малых изменениях входных напряжений. Вследствие этого элементы ЭСЛ часто называют схемами с переключателями тока. Время задержки у элемента ЭСЛ меньше, чем у элемента ТТЛ. и обычно имеет значение 1—5 нс. Интегральные микросхемы на МОП (металл — окисел — полупроводник)-транзисторах являются более медленно действующими, чем элементы ТТЛ или ЭСЛ. Время задержки у элемента на МОП-транзи­сторах обычно не менее 50—100 нс. Однако эти элементы отличаются меньшей потребляемой мощностью, большой нагрузочной способ­ностью и помехоустойчивостью и, что особенно важно, требуют мень­шей площади на поверхности интегральной микросхемы. Схемы на МОП-транзисторах технологичны и дешевы. Поэтому они находят широкое применение, особенно в цифровых устройствах, не требую­щих очень высокого быстродействия, или в устройствах, для которых важна очень высокая степень интеграции, таких, как, например, устрой­ства памяти. МОП-транзисторы бывают п- и р-типов.

Строят схемы и с одно­временным использованием транзисторов п- и р-типов (дополняющие транзисторы). Схемы с дополняющими транзисторами (К-МОП-схемы) отли­чаются малой потребляемой мощностью и более высоким быстродей­ствием, так как в цепях заряда и разряда паразитных емкостей схемы оказываются включенными малые сопротивления открытых транзи­сторов.