1.2. Серии интегральных схем.

Как уже указывалось, большинство логических элементов изготавливаются методами интегральной технологии в виде логических интегральных схем. Логические интегральные схемы разрабатываются и выпускаются предприятиями-изготовителями в виде серий. К серии интегральных схем относят совокупность интегральных схем, способных выполнять различные функции, но имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных дня совместного - применения. Несмотря на существование функционально полных наборов логических элементов, с целью оптимизации реализуемых цифровых устройств с точки зрения сокращения числа используемых логических элементов и уменьшения числа междусхемных соединений в сериях интегральных схем используют функционально избыточные наборы логических элементов.

В настоящем практикуме используются интегральные схемы серии К155. Интегральные схемы этой серии выполнены на основе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и изготовлены по планарно-эпитаксиальной технологии в едином кристалле кремния. Два вывода корпуса интегральной схемы предназначены для подключения источника питания, а остальные выводы используются как выводы изготовленной в кристалле цифровой схемы.

Для интегральных схем ТТЛ требуется напряжение питания +5В±5%, за логический 0 принято напряжение низкого уровня, находящееся в пределах от 0 до 0,4 В, за логическую 1 - напряжение высокого уровня, находящееся в пределах от 2,5 до 5 В.

Элементы ТТЛ обладают высокой нагрузочной способностью (до 10 входов других интегральных схем этой же серии может быть подключено к выходу каждого ЛЭ ТТЛ), достаточно высоким быстродействием (время задержки распространения сигнала в них составляет 10 - 20 нс), но потребляют значительную мощность (10-20мВт). Помехоустойчивость логических элементов характеризуется наибольшим значением напряжения помехи, воздействие которой на вход интегральной схемы не вызывает ее ложного срабатывания. Помехоустойчивость ЛЭ ТТЛ достигает 0,4 - 0,5 В.

Принципиальная электрическая схема базового элемента ТТЛ в качестве примера приведена на рис. 3. Она содержит три основных каскада: входной на транзисторе VT1, парафазный усилитель на транзисторе VТ2 и выходной каскад на транзисторах VТЗ и VТ4.

Основное структурное отличие входного многоэмиттерного транзистора VТ1 от обычных биполярных транзисторов заключается в наличии нескольких (двух в рассматриваемой схеме) независимых эмиттеров и общих для них базы и коллектора. При этом многоэмиттерный транзистор выполнен таким образом, что прямое взаимодействие эмиттеров через разъединяющие их участки базы практически исключается.

Если на оба входа А и B одновременно поданы напряжения высокого уровня (лог.1), переходы база—эмиттер транзистора VТ1 закроются, а его переход база—коллектор откроется (так называемое инверсное включение биполярного транзистора). Наличие тока в цепи коллектора транзисторе VТ1 приводит к отпиранию транзистора VТ2, в результате чего транзистор VТ3 переводится в проводящее состояние, а транзистор VТ4 - в непроводящее состояние и на выходе формируется напряжение низкого уровня (лог.0).

Аналогичная ситуация имеет место и в том случае, если входы А и В отсоединены, так как и в этом случае эмиттерные переходы транзистора VТ1 заперты, а его коллекторный переход находится в проводящем состоянии. По этой причине предполагается наличие "плавающего" потенциала ВЫСОКОГО уровня на отсоединенных входах ЛЭ ТТЛ.

При появлении, по крайней мере, на одном входе рассматриваемой схемы напряжения низкого уровни соответствующий эмиттерный и коллекторный переходы транзистора VТ1 смещаются в прямом направлении (режим насыщения). При этом на коллекторе этого транзистора формируется напряжение низкого уровня, транзисторы VТ2 и VT3 запираются, а транзистор VТ4 отпирается. В результате этого на выходе базового логического элемента формируется напряжение высокого уровня (лог.1).

Благодаря сравнительно высокому быстродействию, функциональной полноте серии и хорошей технологичности интегральные схемы ТТЛ получили достаточно широкое распространение.