Elektronika_i_skhemotekhnika

Рис.2

Поэтому даже, если суммарное напряжение будет равно Uснi Uд* 0,8 В, ток через нагрузку всѐ ещѐ не пойдѐт. К тому же, увеличение сопротивления балластного резистора, снижает напряжение Uä* на открытом диоде и потребляемую компонентом мощность, а заодно несколько увеличивает максимально допустимый уровень Uснi .

Осуществлять любые логические преобразования сигналов с помощью только элементов И невозможно. Поэтому необходимо рассмотреть построение других типов логических компонентов, например реализующих операцию ИЛИ и операцию НЕ. Начнѐм конструирование, как и выше, с таблицы истинности (таблица 2) в той же положительной логике. Сравнение таблиц 1 и 2 показывает, что при наличии на одном из входов компонента И сигнала

низкого уровня Uснi на выходе компонента будет также сигнал низкого уровня

Uíí . У компонента ИЛИ наоборот: определяющим является сигнал высокого

уровня Uñiâ . Фактически, для построения логического компонента ИЛИ можно применить схему, изображѐнную на рис.2, применив свойство дуальности двоичной логики. Следует поменять на противоположные значения уровней напряжения, принимаемых за логический «0» и логическую «1», т.е. поменять тип логики – положительную на отрицательную:

0 UcВi , 1 Ucнi .

Конечно, применять два типа логики в одной системе не удобно. Поэтому на практике в интегральных системах применяют один тип логики, основанную на элементах И-НЕ или на элементах ИЛИ-НЕ.

6.1.2. Диодно-транзисторный компонент И-НЕ

Конечно, применение диодных логических элементов с разными полярностями переменных не очень экономично, так как вызывает необходимость в дополнительных элементах для согласований уровней входных сигналов элементов. Поэтому проще всего последовательно с диодным логическим элементом включить транзисторный инвертор сигнала и реализовать компонент И-НЕ. С их помощью синтезируют комбинационные узлы, логическое состояние выходов которых зависит только от комбинации входных логических переменных в данный момент времени. Синтез узлов осуществляют после минимизации логической функции [2] и приведения еѐ к дизъюнктивной нормальной форме. Из-за ограниченного объѐма пособия подробно рассмотрим схемотехнику только этого компонента (рис.3,а).

Здесь операцию И выполняют диоды в соответствии со схемой рис.2, в которой роль диода Д4 выполняет переход база-эмиттер транзистора. Помимо этой функции транзистор инвертирует и усиливает сигнал, тем самым

восстанавливает Uíâ согласно уравнению (1).

Э2

Рис.3

Таблица истинности 3 этого элемента выглядит следующим образом

Таблица 3

Анализ таблицы 3 показывает что, наличие хотя бы на одном из входов Uснi 0В сразу определяет выходной сигнал Uнв , что существенно упрощает анализ многоэлементных схем.

Рис.3,а наглядно показывает путь разряда конденсатора через нагрузку и транзистор, находящийся в насыщении или на границе насыщения, т.е. через сопротивление не больше 100 Ом. Заряд конденсатора происходит через резистор Rбал, когда транзистор закрыт. Сопротивление Rбал больше, чем на порядок превосходит сопротивление транзистора, находящегося в насыщении. Существенно уменьшить сопротивление Rбал невозможно, так как с ростом тока через элементы увеличиваются тепловые потери тем самым, снижая число компонент на кристалле (степень интеграции) ИС.

Поэтому к компоненту И-НЕ необходимо подсоединить каскад усиления мощности с одинаково малыми выходными сопротивлениями, как для сигнала

Uнн , так и для сигнала Uнв .

6.1.3. Транзисторно-транзисторные компоненты (ТТЛ) И-НЕ

ТТЛ элементы в системах описываются достаточно простыми моделями, которые в зависимости от целей анализа описываются с

помощью таблиц истинности; времени задержки и таблиц истинности; схемной модели, содержащей на каждом входе RC-цепь и зависимый источник управляемый системой логических уравнений управляющих модульными функциями.

Распространение сигналов в цифровых системах сопровождается заметными задержками. Чтобы понять, чем они обусловлены и какими средствами структурного и технологического аспектов проектирования можно их уменьшать, ниже будут рассматриваться в историческом развитии структуры цифровых компонент, построенных в основном на транзисторах: биполярных и полевых. В других разделах эти компоненты будут уже

выступать как элементы с определѐнными параметрами и характеристиками рассматриваемыми в данном разделе.

Совершенствование структуры диодно-транзисторного логического компонента проходило после изобретения технологии интегральных схем (ИС) в 1959г. в США. Технологический аспект в производстве и совершенствовании электронной аппаратуры занял не подчинѐнное положение, а доминирующее. Регулярное совершенствование технологии направленное на сокращение размеров транзисторов, привело к удваиванию числа элементов на полупроводниковом кристалле через каждые три года (эта закономерность сохраняется и по настоящее время). Одновременно снижалось время переключения транзисторов и их стоимость. В настоящее время базовый размер элементов полупроводникового кристалла (длина канала МОП-транзистора) составляет 45 -30 нм вопреки распространѐнному мнению физиков в 90-е годы прошлого века о невозможности изготовить работающие МОП-транзисторы таких размеров. Число элементов на кристалле превышает 800 миллионов.

К сожалению, отечественные разработчики технологий не получили своевременного финансирования необходимых исследований и по решению правительства были вынуждены калькировать зарубежные решения. Однако по мере уменьшения базовых размеров кристалла достаточно скоро эта не этичная возможность исчезла, а отечественная микроэлектронная техника практически осталась на уровне начала 90-х годов прошлого века.

Для разработки современных технологий требуются десятки миллиардов долларов, примерно такие же суммы необходимы для разработки систем автоматизированного проектирования (САПР) цифровых и аналоговых систем, расположенных на одном кристалле. Скорости работы и число элементов на кристалле таково, что примерно 80% площади многослойного кристалла занимают соединительные провода, которые уже необходимо рассматривать, как длинную линию со всеми возникающими в связи с этим согласованиями источников сигнала и их приѐмников. Цифровые устройства занимают (7580)% площади кристалла, а остальную площадь занимают аналоговые устройства и интерфейсы. Однако время проектирования аналоговых устройств занимает примерно 80% от всего времени схемотехнического проектирования из-за того, что САПР их структур развито значительно хуже, чем цифровых.

Сокращение времени проектирования, его стоимости и увеличения объѐма выпуска кристаллов играет решающую роль в конкуренции на рынках электронной продукции. Для снижения затрат на изготовление и проектирование ИС предусматривают возможность программной перестройки

их структур и параметров элементов. Для повышения быстродействия и надѐжности ИС осуществляют распараллеливание обработки процессов.

Таким образом, схемотехника как цифровых, так и аналоговых устройств должна строиться на компонентах, позволяющих их использовать многократно за счѐт программной перестройки структур и параметров элементов, а также иметь возможности параллельной обработки сигналов в многопроцессорных системах.

В настоящее время цифровые устройства внутри кристалла в основном строят на логических компонентах, состоящих из комплементарных МОПтранзисторов (КМОП). Комплементарными называют два транзистора с разными типами проводимости каналов, но с примерно одинаковыми параметрами. Для соединения с периферийными и аналоговыми устройствами кристалла применяют транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) и более сложные компоненты, отличающиеся от КМОП элементов возможностью работать на большую токовую нагрузку.

Наряду с технологией совершенствовались и структуры элементов. Ниже будут описаны носящие общий характер шаги совершенствования ИС, охватывающие три аспекта проектирования: функциональный, структурный и технологический.

Сначала технологи обратили внимание на то, что три диода в схеме логического компонента (рис.3,а) имеют общую точку. Структуры с двумя p-n переходами – у биполярных транзисторов – ими широко применялись и как транзисторы, и как диоды при соединении базы с коллектором или базы с эмиттером. Присоединение ещѐ одного p-n перехода не представляло большой сложности. В результате был разработан (рис.3,б) многоэммитерный транзистор (МЭТ), в котором роль диода Д3 выполняет переход база коллектор

МЭТ. В настоящее время технологически оправданным считается применение МЭТ, содержащем до 8 эмиттеров.

Достоинство МЭТ состоит в повышении однородности технологии, а недостатком является их относительно большой ток открытых переходов база – эмиттер и большая суммарная ѐмкость конденсаторов между базой и общим узлом.

Следующим шагом к повышению быстродействия логических компонент явилось выравнивание времени заряда и разряда «паразитных» конденсаторов нагрузки с помощью усилителя тока (рис.4). Фактически диоды исчезли из схем логических компонент, а поэтому для них появилось название транзисторно-

транзисторная логика, хотя диоды навсегда не исчезают при выполнении логических операций (см. ниже).

Далее будут рассмотрены применявшиеся (К155 серия, которая является аналогом зарубежной серии SN74, К555(SN74LS)) и применяемые в настоящее время в периферийных подсистемах основные серии микросхем транзисторнотранзисторной логики: К1531 (SN74F) и К1533 (SN4ALS). К настоящему времени перечисленные серии внутри кристалла вытеснены логическими КМОП компонентами, построенными на высококачественных комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором.

Базовая ячейка 155 серии была разработана в 1963 г. фирмой Техas

Instruments (TI, SN74) (рис.4, а) и содержит:

а) импульсный усилитель (транзистор Т1 с резисторами Rбал2, R3, Rогр1 и транзистором Т2), работающий на оконечный усилитель мощности (ТЗ, Rогр2, Д3; Т4), в котором транзисторы ТЗ и Т4 работают в противофазах: в статическом режиме один закрыт – другой открыт;

б) логический элемент (ЛЭ) И, реализованный с помощью МЭТ и Rбал1;

в) диоды Дl, Д2 образуют с выходными сопротивлениями источников

сигналов параллельные ограничители, защищающие входы ячейки от отрицательных перенапряжений. Базовая ячейка входит в микросхему 155ЛАЗ согласно условно графическому обозначению (УГО), показанному на рис.5,а. Она содержит 4 логических компонента И-НЕ, у которых общим является только источник питания, подключѐнный к узлам 14 и 7.

Работа компонента «И-НЕ» в статическом состоянии описывается с помощью таблицы 3. Если на оба входа подано высокое напряжение

uc1=uc2=UсВi , то переходы база-эмиттер 1 и база-эмиттер 2 будут заперты, а высокое напряжение

UБ=U В +UОТПпоступит на базу транзистора Т1, переводя его в открытое

сi

состояние, а после окончания переходного процесса – в режим насыщения. Протекающий через балластный резистор Rбал1 базовый ток МЭТ уменьшает напряжение UБ и оба перехода база-эмиттер МЭТ еще более запираются. Заметим, что в статическом состоянии токи баз МЭТ, Т1 и ток коллектора МЭТ практически близки. Следовательно, через переходы база-эмиттер МЭТ идет незначительный обратный ток.

В случае поступления хотя бы на один вход напряжения низкого уровня

недостаточно, чтобы открыть три р-n перехода: база-коллектор МЭТ, переходы база-эмиттер Т1 и Т2 или Т1 и Т4. Следовательно, транзисторы Tl, T2 и Т4 будут заперты.

Отметим, что МЭТ работает в инверсном режиме. Для транзисторов n-р-n обычным является режим с более высоким напряжением коллектора по отношению к эмиттеру, например, так включены все остальные транзисторы компонента. В рассматриваемой ИС коллектор МЭТ имеет всегда более низкий потенциал, чем эмиттер. Отсюда малый коэффициент усиления МЭТ

( B 1 3).

Выше были проанализированы два статических состояния сигналов на входе и два состояния транзистора Tl. Переход сигнала из одного состояния в другое всегда континуален, а поэтому и транзистор Tl будет проходить последовательно фазы от насыщенного состояния в ненасыщенное, а далее в линейный режим и в запертое состояние. Следовательно, изменение его тока также континуально (практически непрерывно). Это приводит к постепенному отпиранию транзистора Т4 и запиранию транзистора ТЗ и диода Д3. Причем,

будет распределяться между токами баз Т4 и Т2 и током заряда конденсатора Cб4, скорость изменения напряжения на котором вместе с временем разряда конденсатора нагрузки и будет задавать время спада напряжения на выходе ИС.

Транзисторы ТЗ и Т4 в статическом состоянии будут или заперты (ТЗ - когда Tl в насыщенном состоянии, Т4 - когда Tl заперт) или в насыщенном состоянии (Т4 - когда Tl заперт и ТЗ - когда Tl в насыщении).

При насыщенном Т4 напряжение на нагрузке Uнн 0,4В , а когда Т4 - заперт, а ТЗ - открыт, то

Это значение напряжения ближе к верхнему пределу, ибо не учитывает падение напряжения Iб3R2. Егоможно учесть, найдя из (3) ток нагрузки и поправку

Поправка к напряжению, вычисленному по формуле (3), при h21=100 и Rн > R2 будет составлять порядка 0,04 В. Выход компонента чаще всего

подключѐн к входу такого же логического элемента и при напряжении Uсвi его переход эмиттер-база заперт, а поэтому он имеет довольно большое входное сопротивление.

Переход логического элемента из состояния с низким напряжением на нагрузке Uнн в состояние с высоким напряжением характеризуется временем

задержки tн-В . Это время превосходит время нарастания tнар и спада tспад

зад

логического элемента.

Достоинствами рассмотренной серии являются простота схемы и ее технологичность, а отсюда высокая надежность и малая стоимость.

Недостатками являются большая рассеиваемая мощность (порядка 30 мВт), что приводит к увеличению эксплуатационных расходов, ограничению степени интеграции (на одном кристалле обычно выделяется мощность порядка

200 ... 300 мВт без специальных мер по его охлаждению), нежелательным экологическим последствиям.

Следующим существенным недостатком микросхем этой серии является их невысокое быстродействие: среднее время задержки tзад= =17,5 нс., максимальная частота переключения Fmax= 10 МГц (Fmax= 35 МГц для SN74 вследствие более совершенного уровня технологии). Это сужает область применения элементов в системах обработки информации.

Требования, предъявляемые к элементам микросхем противоречивы. Снижение потребляемой мощности за счет изменения параметров элементов приводит к уменьшению токов в схеме и как следствие к увеличению времени перезарядки паразитных емкостей (Сб1, Сб3, Сб4), т.е. к уменьшению быстродействия.

Итак, малое быстродействие ЛЭ связано в основном с достаточно большими ѐмкостями технологических конденсаторов Cбi. Поэтому повышение качества логического компонента связано с совершенствованием его элементовнатехнологическом аспекте проектирования(см.) (например, путѐм уменьшением размеров площадей транзисторов, что автоматически приведѐт к уменьшению площадей обкладок конденсаторов и их ѐмкостей) при сохранении схемы.

Затем, на функциональном аспекте проектирования (см.) выявляют недостатки существующей структуры и вырабатывают требования к новой структуре. На структурном аспекте проектирования (см.) изменяют ее структуру путѐм синтеза нового принципа или способа построения или в рамках ранее синтезированного способа синтезируют новую структуру, а для неѐ синтезируют новые значения параметров элементов. Наконец, создают новую компонентную базу, включающую в себя усовершенствования всех аспектов и этапов.

Обобщенно говоря, совершенствуют качество устройства путѐм создания новых элементов, структур и параметров их элементов.

Применение первого пути привело к серии интегральных микросхем К555 (SN74LS). Она была выпущена в 1971 г. фирмой NJ (рис. 6). В базовом компоненте серии К555 транзисторы заменены на транзисторы Шоттки, имеющие, по сравнению с обычными транзисторами, заметно большее быстродействие (технологический аспект(см.)): среднее время задержки уменьшилось до 5 нс за счет применения быстродействующих диодов Шоттки. Их включение параллельно переходу база коллектор транзистора при большом