9.13. Эмиттерно–связанная логика

Цифровые микросхемы эмиттерно–связанной логики составляют схемы на переключателях тока с объединенными эмиттерами, обладающие по сравнению с другими типами цифровых схем наибольшим быстродействием и большой потребляемой мощностью.

Большое быстродействие ЭСЛ логики обеспечивается:

– за счет работы транзисторов в ненасыщенном (линейном) режиме;

– за счет применения на выходах схемы эмиттерных повторителей, ускоряющих процесс заряда и разряда нагрузочных емкостей;

– за счет ограничения перепада выходного напряжения, что приводит к снижению статической помехоустойчивости.

Наибольшее распространение получили ЭСЛ серии 100, 500, К500, 700, К1500, обеспечивающие выполнение любых арифметических и логических операций.

На рис. 9.21 представлены: условное графическое обозначение базового элемента, временные диаграммы, поясняющие работу элемента, таблица истинности и принципиальная электрическая схема ЭСЛ-логики. В зависимости от способа кодирования входной информации ("1" и "0") одна и та же схема (рис. 9.21,ж) может реализовать либо функции ИЛИ–НЕ, ИЛИ для положительной логики, либо функции И–НЕ, И для отрицательной логики. Для положительной логики "1" и "0" представляются напряжениями  U⁰ = –1,45…–1,9 В; U¹= –0,7…–0,95 В, а для отрицательной логики –напряжениями U¹= –0,7…–0,95 В; U⁰= –1,45…–1,9 В.

В схемах ЭСЛ серий эмиттеры транзисторов токового переключателя через резистор R_э подключаются к отрицательной шине источника напряжения U_ип= –5,25 % В; коллекторные цепи заземляются. Такое включение обеспечивает меньшую зависимость выходного напряжения от наводок по цепи питания и лучшую помехозащищенность. Для повышения нагрузочной способности и расширения функциональных возможностей на выходах токового переключателя (VТ_З, VT₄) включены транзисторы VТ₆, VТ₇, предназначенные для использования в качестве выходных эмиттерных повторителей с резисторами в цепи эмиттеров порядка 240…50 Ом. Для уменьшения потребляемой мощности при малых сопротивлениях нагрузок используют второй источник питания – U_см. Для исключения влияния на логическую часть схемы импульсных помех, возникающих в коллекторных цепях эмиттерных повторителей в момент переключения схемы при работе на низкоомную нагрузку, используются две шины земля. Кроме того, выходные эмиттерные повторители смещают уровни сигналов по напряжению и обеспечивают совместимость ЭСЛ элементов по входу и выходу.

На транзисторах VТ₁–VТ₄ собран токовый переключатель, содержащий две ветви, работающие в режиме ключа и связанные эмиттерами через резистор R_э. Транзисторы VТ₁–VТ_З первой ветви и транзистор VТ₄ второй ветви работают в активной области и не входят в режим насыщения. Для создания опорного напряжения U_бэ транзистора VT₄ используется температурно-компенcирующая цепь (транзистор VТ₅, диоды VD₁, VD₂ и резисторы R₅, R₆).

Рассмотрим принцип работы базового логического элемента для положительной логики. Если на все логические входы подается напряжение низкого уровня, соответствующее логическому нулю, то транзисторы VТ₁–VТ₃ закрываются, а транзистор VТ₄ открывается, так как напряжение на его базе становится выше, чем на базах входных транзисторов. Через открытый транзистор протекает ток , значение которого задается резистором R_э, и создает падение напряжения на резисторе R₂. Потенциал коллектора транзистора VТ₄ при этом понижается и подается на вход эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе VТ₇. На выходе эмиттерного повторителя получается низкий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю.

В это же время через резистор R₁ левой ветви токового ключа протекает небольшой обратный ток . Потенциал коллектора транзистора VТ₃ повышается и поступает на базу эмиттерного повторителя транзистора VТ₆. На выходе транзистора VT₆ имеем большой потенциал, логическую единицу, при этом выполняется логическая операция ИЛИ–НЕ.

Предположим, что на один из входов (вход 1) подается напряжение логической единицы, а на остальных входах действует логический нуль. Под действием входного сигнала транзистор VТ₁ отрывается, через коллекторную и эмиттерную цепь протекают большие токи и I_э. Ток I_э создает падение напряжения на сопротивлении резистора R_э, которое резко уменьшает напряжение , транзистор VТ₄ закрывается. Перепады напряжений коллекторных цепей транзисторов VТ₁, VТ₄ подаются на входы соответствующих эмиттерных повторителей. Таким образом по выходу транзистора VТ₆ выполняется логическая операция ИЛИ–НЕ, а по выходу транзистора VТ₇ – логическая операция ИЛИ. Воздействие входного сигнала приводит к переключению тока эмиттера I_э, который проходит в зависимости от амплитуды входного сигнала то через левую, то через правую ветви, и при этом на выходе создаются низкий и высокий уровни напряжения одновременно. Поэтому такую схему с объединенными эмиттерами часто называют токовым ключом.

Резисторы в цепях базы токового ключа R₃ служат для стекания обратного базового тока и надежного запирания незадействованных входных транзисторов. При их отсутствии самоотпирание незадействованных входных транзисторов будет мешать нормальной работе схемы, и потребуется внешнее принудительное подключение таких входов к источнику отрицательного напряжения.

Перспективными считаются ЭСЛ серии 500 и К1500. Серия К1500 относится к числу субнаносекундных и имеет время задержки менее 1 нс.

На рис. 9.22 приведена принципиальная электрическая схема базового логического элемента серии К1500, являющегося модернизацией базового логического элемента серии 500. Элемент реализует функции 2И/2И–НЕ, И для отрицательной логики.

Логический элемент состоит из трех частей: токового переключателя (ТП), эмиттерных повторителей (ЭП), источника опорного напряжения (ИОН). Назначение и функции указанных частей соответствуют назначению и функциям аналогичных цепей рассмотренного базового логического элемента ЭСЛ серий. В микросхеме К1500 используется более стабильный генератор тока на транзисторе VТ₄ и резисторе R₃, термостабилизирующая цепочка на диодах VD₁, VD₂, резисторе R₄, между коллекторами транзисторов переключателя тока, усовершенствованный источник опорного напряжения, раздельные источники питания (для ЭП), (для ПТ и ИОН).

Все это позволило стабилизировать статические и динамические параметры схемы:

– при изменении напряжения питания в диапазоне –5,7…–4,2 В;

– при изменении температуры на основании корпуса в пределах +1…+85 °С;

– увеличить помехозащищенность схемы по цепи питания.

Недостатком данной схемы является большая потребляемая мощность P_п ср = 50 мВт.

Интегральные схемы на эмиттерно–связанной логике используются в качестве элементной базы быстродействующих систем связи, вычислительной техники и радиоэлектронной аппаратуры. Они обладают следующими достоинствами:

1. Высокая помехоустойчивость.

2. Высокое быстродействие при средней потребляемой мощности и сверхвысокое быстродействие при большой потребляемой мощности.

3. Высокая стабильность динамических параметров при изменении рабочей температуры и напряжения питания.

4. Высокий коэффициент разветвления (высокая нагрузочная способность).

5. Возможность работы на низкоомные согласованные линии связи и нагрузки.

6. Малая мощность переключения и независимость тока потребления от частоты переключения.

7. Использование биполярной технологии изготовления.