Схемотехника / Учебники и методички / potehin

Стабильность напряжений U01 и U02 при изменении температуры обеспечивается разностью площадей эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT6 (рис. 1.30.). При задании тока I1 через транзистор VT1, через транзистор VT6 протекает ток I2, который будет больше тока I1 во столько раз, во сколько площадь эмиттерного перехода транзистора VT6 больше площади эмиттерного перехода транзистора VT1. На значение тока I2 влияет сопротивление R5. Сопротивления резисторов R2-R5 выбираются так, чтобы обеспечить необходимые значения напряжений: U01= – 1,32 В и U02= – 3,2 В.

С повышением температуры растет ток I1, одновременно увеличивается значение тока I2. Рост тока I2 вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R3, которое компенсирует уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3 с повышением температуры. Напряжение U01 остается постоянным, несмотря на изменение рабочей температуры. На эмиттере транзистора VT4 напряжение так же остается постоянным в диапазоне рабочих температур и через общие

базы транзисторов VT4 и VT2

оно формирует стабильное напряжение U02, которое в значи-

тельной мере определяет стабильность динамических параметров схем.

На рис. 3.34. приведена типовая передаточная характеристика логического элемента ЭСЛ по прямому и инверсному выходам. На основании этой характеристики определяются все остальные схемы: входные и

выходные пороговые напряжения, выходные напряжения лог.

0 и лог. 1, логические перепады напряжения, напряжения статической помехоустойчивости и др..

1.5.3 Особенности применения ЭСЛ

Микросхемы ЭСЛ имеют отрицательное напряжение питания4.5В 5%, причем коллекторные цепи подключены к шинам земли. Следовательно, выходные напряжения имеют отрицательные уровни. Выходные сигналы снимаются со свободных выходов эмиттерных повторителей (открытый эмиттер). При подключении нагрузок эмиттеры выходных транзисторов должны быть подключены через резисторы к источнику отрицательного напряжения, например, к источнику питания UП –5В или источнику напряжения смещения Uсм = – 2В. Все входы базового элемента подключаются к источни-

91

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

ку питания через резисторы, это позволяет неиспользованные входы оставлять не присоединенными.

Микросхемы ЭСЛ-типа допускают объединение по прямым и инверсным выходам в “монтажное ИЛИ” или в “монтажное И” с коэффициентом объединения Kобвых 4, а так же объединения прямого выхода с инверсным (рис

3.35.).

При объединении прямых выходов (рис. 3.35, а) реализуется монтажное ИЛИ:

Рис. 3.35. Схема объединения ИС ЭСЛ по выходам

Y x1 x2 x3 x4.

Если монтажно объединить инверсные выходы (рис. 3.35, б), то получим монтажное И:

Y (x1x2)(x3x4) (x1x2) (x3x4).

Третий вариант объединения (рис. 3.35. в) – это монтажное объединение прямых и инверсных выходов

Y x1 x2 x3 x4;

Рекомендуется объединения схем по выходам производить в пределах одной платы и желательно для микросхем, расположенных рядом. Выход с платы следует задействовать от схемы, не имеющей объединений по выходу в пределах платы.

Особое требование при конструировании аппаратуры на ЭСЛ ИС – передача сигналов по согласованным линиям связи. Из-за крутых фронтов ИС 1500 (К1500) более чувствительны к неоднородностям в линии передач. Поэтому при правильном применении ИС 1500 в линиях связи должно быть постоянное волновое сопротивление (500 Ом).

При эксплуатации ИС 1500 (К1500) выделяют значительное количество тепла из-за большой рассеиваемой мощности микросхемами. Поэтому необходимо обеспечить эффективный теплоотвод, чтобы температура корпуса не превысила 85 С. При конструировании аппаратуры на основе ИС 1500 (К1500) необходимо уделять внимание вопросам компоновки схем, согласования линий связей, выбора согласующих резисторов, соединителей, вопросам фильтрации и “развязки” цепей питания.

92

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

Интегральные серии 1500 (К1500) обладают функциональной полнотой. Они имеют в своем составе: логические элементы, универсальные дешифраторы, мультиплексоры, схемы контроля четкости, сумматорывычислители, АЛУ, триггеры, счетчики, регистры, приемопередатчики, преобразователи уровней, ОЗУ на 1-16 Кбит и пр. ИС 1500 (К1500) является основной элементной базой быстродействующих ЭВМ и других технических средств.

1.6. Микросхемы на основе арсенида галлия

1.6.1. Введение

Каждая из рассмотренных цифровых схем (биполярные ТТТЛ и n- канальные КМОП структуры) имеет свои преимущества и недостатки, определяющие область их применения. Биполярные транзисторы пригодны для коммутации сравнительно больших токов, благодаря чему даже при высоком быстродействии паразитные емкости межсоединений между корпусами мало влияют на скорость их работы. Соединением многих биполярных микросхем, каждая из которых имеет умеренную сложность, можно создавать быстродействие узлов аппаратуры. Для построения ЭВМ и узлов дискретной автоматики сейчас наиболее широко применяются схемы ТТЛ и ТТЛШ. Сверхскоростные устройства строятся на микросхемах ЭСЛ. Постоянно повышающиеся требования с точки зрения увеличения потребляемой мощности, уменьшения габаритных размеров и стоимости устройства, повлекли за собой поиски новых путей, позволяющих улучшить рабочие характеристики МОПтранзисторов и увеличить степень интеграции базовых ЛЭ, выполняемых на биполярных транзисторах.

Одним из новых направлений в последние годы явилось развитие интегральной инжекционной логики (И2Л), которая развилась на базе самой первой простейшей логики с непосредственными связями (ТЛНС). С помощью схем И2Л удалось увеличить плотность компоновки и снизить рассеиваемую мощность на ЛЭ. Плотность компоновки схем И2Л даже превышает плотность МОП-схем (удается разместить более 1000 элементов на 1 мм2). Небольшая рассеиваемая мощность объясняется отсутствием резисторов. Инжекция носителей в область базы транзистора осуществляется с помощью активных генераторов тока, выполненных на p-n-p – транзисторах. Большое быстродействие при малых мощностях объясняется незначительными паразитными емкостями, отсутствием накопления заряда и очень небольшой разницей логических уровней. Причем, на одном кристалле можно размещать цифровые и аналоговые схемы. Однако широкого применения они еще не получили.

В последние годы активно разрабатываются и широко применяются микросхемы с диодами Шоттки – ТТЛШ и МОПсхемы с n- каналом, а также КМОМ, совместимые с цоколевками с массовыми сериями ТТЛ.

Одним из новых направлений является развитие интегральной схемотехники на основе арсенида галлия.

93

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

1.6.2. Базовый ЛЭ сверхбыстродействующих ИС К6500

Микросхемы К6500 представляют собой цифровые схемы сверхвысокого быстродействия, выполненные на основе арсенид-галлиевых полевых транзисторов с затвором Шоттки.

Микросхемы К6500 по сравнению с ИС К500, К1500 имеют в 4-6 раз меньшую мощность потребления на один ЛЭ и в 3-8 раз большую частоту переключения триггера и меньшую задержку на ЛЭ.

В серии используются следующие основные параметры логических сигналов; максимальная частота функционирования Pmax не менее 1000 МГЦ; длительность фронта (среза) выходного сигнала 0,16…0,3 нс; выходное напряжение при Rн =50 Ом низкого уровня (U0L) –0,2…0,1 В, высокого уровня (U0H) 0,9…1,5 В; входной ток низкого уровня (I1L) не менее – 0,5 мА, высокого уровня (I1H) не более 1 мА; помехозащищенность низкого уровня (ML) не менее 0,1 В, высокого уровня (MH) не менее 0,1 В.

Микросхемы выполнены в плоских планарных металлокерамических корпусах с числом выводов 16, 24, 42. При обозначении ИС К6500 микросхемы эксплуатируются в диапазоне температур – 10…+ 70 0С, а при обозначе-

нии 6500 –60…+125 0С.

Рис. 3.36. Типовой базовый ЛЭ на основе арсенидгаллиевых полевых транзисторов с барьером Шоттки

Микросхемы К6500 построены на основе базовых ЛЭ истоковосвязанной логики на полевых транзисторах с управляющим затвором Шотки. Один из основных вариантов реализации базового ЛЭ на полевом транзисторе Шоттки приведен на рисунке 3.36.

В структурной схеме ЛЭ имеются входные и выходной формирователи сигналов и сам базовый ЛЭ. Базовый элемент построен по схеме переключа-

94

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

теля тока на основе дифференциальных пар транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4, резистора R1, определяющего ток истока, значения нагрузочных резисторов R2, R3 и резистора смещения R4 для согласования по уровням напряжения выходов истокового переключателя тока и выходных истоковых повторителей на транзисторах VT5, VT6. Диоды Шоттки VD1-VD8 и транзисторы VT7-VT10 в цепях истоков выходных транзисторов необходимы для согласования с выходным формирователем и стабилизации выходного напряжения.

Питание ЛЭ и формирователей осуществляется от двух источников на-

пряжения: UCC1 = (4 0,2) В и UCC2=(– 2,45 + 0,12) В. Цепи питания UCC1 выходного формирователя и остальной части схемы разделены.

Входные формирователи предназначены для согласования внешних цепей с напряжениями сигналов 0-1 В с базовым ЛЭ, в котором сигналы Х1, Х2 имеют уровни 0,5 В для прямых и – 0,5 В для инверсных значений. Схема входного формирователя близка к схеме базового элемента: она состоит из переключателя тока и выходных истоковых повторителей. На один из выходов переключателя тока подается формируемое внутри кристалла опорное напряжение 0,5 В, равное половине входного логического перепада. На другой вход поступает внешний сигнал с логическим перепадом около 1 В. Формирователь преобразует этот сигнал в парафазный Х, X с уровнем 0,5 В.

Выходной формирователь также построен на основе переключателя тока и мощного выходного ключевого элемента, обеспечивающего преобразование уровней внутренних сигналов Y, Y в уровни внешних сигналов, а также необходимую нагрузочную способность ЛЭ. Выходной ток преобразователя равен 10 мА, а в пределе до 30 мА.

Для перехода от маломощных внутренних цепей с токами до 1 мА к мощному выходному транзистору и обеспечения режима его переключения с частотой 1 ГГц требуется включить между внутренней логической схемой и выходом микросхемы два-три каскада усиления мощности. Потребляемая мощность 0,55…2,6 Вт для микросхем различной сложности. Энергопотребление определяется мощностью выходных формирователей. Длительность фронта и среза не более 0,25 нс при работе на коаксиальные линии с волновым сопротивлением 50 Ом и сопротивлением нагрузки 50 Ом.

1.6.2 Логические элементы, триггер, регистры, счетчики

Цифровые микросхемы К6500 предназначены для обработки цифровых сигналов с тактовой частотой до 1000 МГц в контрольно-измерительных приборах, аппаратуре связи и ЭВМ. При эксплуатации, ИС К65000 (табл. 3.6) имеют предельно допустимые режимы, приведенные ниже.

В состав серии 6500 входят: два логических элемента ЛР1 и ЛР2, счётный триггер ТТ1, 4- разрядный ИР1 и 8-разрядный ИР2 сдвигающие регистры и два двоичных счётчика - ИЕ2 (4- разрядный), ИЕ3 (8-разрядный.)

Логические элементы. Логические элементы и выходные каскады, которые лежат в основе построения элементов типа ЛР, триггеров и регистров показаны на рис. 3.37. Простейший логический элемент (рисунок 3.37, а) выполнен на основе инвертора на транзисторе VT1 и истоковом повторителе на

95

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

транзисторе VT4, в истоке которого стоят два последовательно включенных диода, понижающих уровень лог. 1.

Основой логического элемента (рисунок 3.37, б) является фазорасщепляющий каскад на VT3 и сложный истоковый повторитель на VT6 и VT7, работающий на простой истоковый повторитель на VT8.

Рис.3.37. Логические элементы и выходные каскады ИС 6500

а – ЛР1, ЛР2, ТТ1, ИР1; б – ИР2

Условные графические обозначения 4-входового 2И-ИЛИ-НЕ ИС К6500 ЛР1 и 3-входового ЛЭ 2И-ИЛИ-НЕ ИС К6500 ЛР2 приведены на рис. 3.38.

Микросхема К6500 ЛР1 реализует функцию F ab cd , где a, b, c, d - входные переменные. В зависимости от входных аргументов микросхема мо-

жет реализовать разнообразные функции, включая И ,ИЛИ , равнозначности

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

и неравнозначности. Задержка распространения сигнала 0,42 нс, потребляемая мощность – 0,55 Вт.

Микросхема К6500 ЛР2 реализует функцию F ab ad . Ее функциональные возможности несколько меньше, чем у ЛР1.

Триггер К6500 ТТ1 – счетный триггер, имеющий вход начальной установки R и счетный вход С (рис. 3.39). Задержка распространения не более 1 нс, потребляемая мощность – 0,7 Вт.

Регистры. Условное графическое обозначение и функциональная схема универсального сдвигового регистра К6500 ИР1 приведены на рис. 3.40. Регистр имеет следующие режимы работы:

Рис.3.40. Условное графическое обозначение ИС К6500ИР1 а;

функциональная схема б

R = 0, DCA = 0, DCB = 0 – сдвиг вправо (в сторону старших разрядов); R = 0, DCA = 0, DCB = 1 – сдвиг влево (в сторону младших разрядов); R = 0, DCA = 1, DCB = 0 – параллельная загрузка;

R = 0, DCA = 1, DCB = 1 – режим хранения информации;

DCA = X, DCB = X – установка низкого напряжения на выходах (сброс).

При установке микросхемы необходимо подключать сопротивление нагрузки к выводам 18 и 19 со значением 50 Ом, а к выводам 17 и 20 – 25 Ом. Тактирование (сдвиг) информации происходит по спаду синхронизирующего импульса на входе С.

Восьмиразрядный сдвиговый регистр (ИС К6500ИР2 – рис. 3.41)

может работать в режиме последовательной записи информации, синхронизированной по срезу тактового сигнала, имеет режимы сброса и установки, а также обеспечивает режим циклирования (кольцевого сдвига).

Микросхема имеет выход полусумматора, позволяющий формировать псевдослучайную последовательность длиной 27 – 1. Микросхема может управляться от ТТЛШ ИС, для этого значения напряжений логических уровней по входам 25, 28-31, 33-37 соответствуют ТТЛ и ТТЛШ.

97

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

истоковый повторитель на VT3, а сигнал на выход подается через повторитель на VT6.

Микросхема 6500 ИЕ2 - четырехразрядный синхронный двоичный счетчик имеет следующие основные режимы работы: преобразование времени в цифровой код (ПВК), преобразование длительности в цифровой код (ПДК), деление частоты с коэффициентами 2, 4, 8, 16.

Рис.3.42. Условное графическое обозначение ИС К6500ИЕ2 а; Функциональная схема б

Условное графическое обозначение ИС 6500 ИЕ2 и ее функциональная схема приведены на рисунке 3.42.

Задержка распространения сигнала не более 1.5 нс.

98

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

четыре – с последовательным переносом.

Часть 2

Комбинационные устройства

Глава 4

4.1. Шифраторы

Шифратор – ENCODER - устройство, осуществляющее преобразование десятичных чисел (позиционный код) в двоичный код. Шифратор имеет m входов, пронумерованных десятичными числами (0, 1, 2... m – 1) и n выходов, причем 2n m . Подача управляющего сигнала на один из входов приводит к появлению на выходе n - разрядного двоичного числа, соответствующего номеру возбужденного входа. Если т – число входных однопозиционных кодов, то минимальная разрядность п двоичного кода будет равна ближайшему большему целому от 1 до 2n . Из данного определения следует, что шифратор выполняет микрооперацию обратную микрооперации дешифратора. Шифраторы широко применяются в устройствах автоматики и системах телекоммуникаций, в вычислительной технике и цифровой бытовой электронике, особенно в устройствах ввода/вывода информации. На клавиатуре ввода имеются клавиши с десятичными цифрами, буквенный алфавит, а при нажатии клавиши позиционный код должен преобразоваться в двоичный код.

Строятся шифраторы, как правило, на небольшое число (8 ÷ 16) входов и синтез устройства осуществляют, с помощью достаточно простых алгебраических преобразований. При большом числе входов пользуются вычислительными приемами, позволяющими перевести любое десятичное число в двоичный код.

Проанализируем способ построения и структуру шифратора, предназначенного для обработки зависимых однопозиционных сигналов. Этот термин

99

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)

применительно к шифраторам клавиатуры обозначает, что из всех клавиш должна быть нажата только одна.

Имеется наборное поле с восьмью клавишами, пронумерованными цифрами 0 – 9. Клавиша связана, либо с простым механическим ключом которая выдает при нажатии либо высокий уровень (обозначение в таблицах «В», лог. «1» или «High»), либо низкий («Н», лог. «0» или «Low»), как показано на рис. 4.1 a, b, c, d, e.

Рис. 4.1. Схемы формирования управляющих сигналов для клавиатур шифраторов

Механические ключи можно дополнить буферными логическими элементами инвертирующего (не инвертирующего) типа, которые нормализуют параметры управляющего сигнала по логическим уровням и временам нарастания и спада. Формирование сигнала производится с использованием инверторов или повторителей, а также с помощью триггеров с раздельным управлением.

Рассмотрим вариант построения десятивходового 0 ÷ 9 шифратора с единичными активными значениями входных сигналов (х0 ÷ х9). Закон функционирования такого шифратора представлен в таблица 4.1.

Вкрайнем левом столбце таблицы вписаны номера нажимаемых кнопок 0

÷9, в столбцах «Входные сигналы» помещены значения управляющих сигналов (х0 ÷ х9). Необходимо найти логические выражения, обеспечивающие формирование двоично-десятичного нормально взвешенного кода 8-4-2-1 при

Таблица 4.1.

100

Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)