2.3. Цифровые интегральные схемы

Логические элементы, могут быть выполнены в виде интегральных схем (ИС). Интегральные схемы имеют значительное преимущества перед схемами на дискретных элементах по габаритам, потребляемой мощности и стоимости. В одном корпусе ИС может быть размещено большое количество логических элементов при условии незначительной величины потребляемой мощности.

Транзисторы как элементы цифровой логики

Транзисторы являются базовыми элементами большинства ти­пов ИС. Они используются и как дискретные элементы при со­пряжении логических устройств. При изготовлении ИС применяют два основных вида транзисторов: биполярные транзисторы и полевые МОП-транзисторы .

Биполярные транзисторы бывают двух типов: р—п—риn—р—n. Как логический элемент транзистор может находиться либо в открытом (проводящем) состоянии, либо в закрытом (не­проводящем) состоянии. Транзисторр—п—р типа закрыт, если его база(Б)имеет более положительный потенциал, чем потенциал эмиттера(Э),и открыт, если потенциал базы более отрицатель­ный, чем потенциал эмиттера. На коллектор(К)подается отрица­тельное напряжение по отношению к эмиттеру. Тогда ток (движе­ние положительных зарядов) в данном транзисторе имеет направ­ление от эмиттера к коллектору. Величина напряжения база — эмиттер, необходимая для переключения транзистора из закрытого в полностью открытое состояние (состояние насыщения), колеб­лется в пределах от -0,1 до -0,7 В, Транзисторп—р—п типа закрыт, если его база имеет более отрицательный потенциал, чем эмиттер, и открыт, если потенциал базы более положительный, чем потенциал эмиттера. На коллектор подается положительное напряжение относительно эмиттера, и ток в этом транзисторе про­текает от коллектора к эмиттеру. Величина напряжения база— эмиттер, необходимая для переключения транзистора из закрытого состояния в открытое, составляет 0,1—0,7 В.

Одной из возможных схем включения биполярного транзисто­ра является схема с общим эмиттером (рис. 2.14). Напряже­ниеEnменьше или больше нуля дляр—п—рип—р—nтранзисторов соответственно. При такой схеме включения сигнал логической переменнойА,подаваемый на вход, преобразуется на выходе в, и таким образом схема реализует операцию инвертирования. Отри­цательное напряжение, подаваемое на вход данной схемы, откры­ваетр—п—р транзистор, положительное напряжениеп—р—п транзистор. При подаче на БАЗУ транзистора напряжение высокого уровня, что соответствует логической ЕДИНИЦЕ, транзистор закрывается, ток от эмиттера к коллектору не течет, на выходе логический НОЛЬ.

Рис. 2.14. Включение биполярного транзистора по схеме с общем эмиттером.

При отсутствии потенциала на базе транзистора, ток течет от эмиттера к коллектору на выходе ЕДИНИЦА.

Полевые МОП - транзисторы, относящиеся ко второй важной группе транзисторов также бывают двух типов: р-ип- канальные. Электронный ключ, собранный на р - канальном МОП -транзисторе, закрыт, если потенциал затвора (3) более положи­тельный, чем потенциал истока (И), и открыт, если потенциал затвора более отрицательный. На сток (С) по отношению к истоку подается отрицательное напряжение, ток в транзисторе течет от истока к стоку.

В n- канальном МОП - транзисторе потенциал затвора, более отрицательный по сравнению с потенциалом истока, закрывает транзистор, а более положительный - открывает. На сток отно­сительно истока подается положительное напряжение, ток в тран­зисторе направлен от стока к истоку. Подложка транзистора обычно электрически соединяется с истоком.

На рис. 2.15 показано включение р-илиn-канального МОП - транзистора по схеме собщим истоком.Данная схема аналогична схеме включения с общим эмиттерам для биполярного транзисто­ра (рис. 2.14) и также реализует операцию инверсии логической переменной А. Как и в случае биполярного транзистора,р-иn– канальные полевые транзисторы обладают свойством двойственно­сти.

Рис. 2.15. Инвертор на р – канальном МОП – транзисторе (схема с общим истоком).

Данная схема работает аналогично выше описанной схеме на биполярном транзисторе.

Диодно-транзисторная логика

Схемы диодно-транзисторной логики (DTL)являются наибо­лее известным классом логических схем. Эти схемы, как следует из названия, состоят из диодов и биполярных транзисторов. Базо­вым элементом диодно-транзисторной логики является схема И-НЕ (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Стандартная схема DTL, выполняющая операцию И-НЕ.

Принцип работы такой схемы заключается в сле­дующем. Если входы А и Внаходятся в состоянии 1, то ток, про­текающий отEkчерезR1 и R2,открывает транзисторТ1.Ток, про­ходящий черезR1иT1,открываетТ2,и таким образом на выходе схемы устанавливается низкий потенциал. ЕслиА,илиВ,или оба входа находятся в состоянии 0, то ток протекает черезR2на «землю» иT1 закрыт. Следовательно, T2 также закрыт и на выхо­де устанавливается высокий потенциал. Описанная схема выпол­няет операцию И-НЕ для положительной логики. Схема, нагру­женная на входАилиВи переключающая этот вход в состоя­ние 0, должна «отбирать» ток, протекающий черезR2.Поэтому этот тип логических схем называетсясхемой с отбором тока.

Максимально возможное количество входов схемы называется коэффициентом объединения по входу.Аналогичным образомко­эффициент разветвления по выходу—это максимально возможное количество входов схем того же типа, которое может переключать выход данной схемы. Обычно коэффициент объединения по входу уDTL-схем10, а коэффициент разветвления по выходу равен 8. Номинальное напряжение питания Еk=5В,потребляемая мощ­ность 10 мВт/элемент, задержка переключения ~ 30 нс/элемент. На входе схемы напряжения ,и есть соответст­венно 1,2 и 2,0 В. На выходе схемы и имеют значения 0,45 и 2,6 В.

При рассмотрении любого типа логических схем необходимо учитывать защищенность схемы от воздействия помех. Защищен­ность схемы связана с двумя важными факторами — помехоустой­чивостьюиуровнем наводимой помехи.Помехоустойчивость схемы определяется величиной сигнала помехи, который, накладываясь на входной логический сигнал, вызывает ошибочное переключение схемы. Относительно второго фактора известно, что (помехи наво­дятся в основном через шины питания при переключении логиче­ских схем.DTL-схемыобладают хорошей помехоустойчивостью и средним по величине уровнем наводимых помех.

Транзисторно-транзисторная логика

Широко распространенный класс логических схем — схемы транзисторно-транзисторной логики (TTL, или ). На входе та­ких схем находятся многоэмиттерные транзисторы. На рис. 2.17 показана TTL-схема, реализующая операцию И-НЕ для положи­тельной логики.

Рис. 2.17. Стандартная схема TTL, выполняющая операцию И–НЕ.

Схема работает следующим образом. Если вхо­ды А и В находятся в состоянии 1, то ток, протекающий от Ek черезR1, поступает на базуT2 через переход база — коллектор транзистораT1,смещенный в прямом направлении. Этот ток откры­вает транзисторT2, который переключает ток, протекающий черезR2,от базы транзистораT3 к базе транзистораT4.ТранзисторT3 за­пирается, а транзисторT4 входит в режим насыщения; при этом на выходе схемы устанавливается низкий потенциал (состояние 0). Далее, еслиАилиВ,или оба этих входа находятся в состоянии О, то ток черезR1 уходит («отбирается») на землю через переходT1. Следовательно,T2 закрыт,T3 открыт,T4 закрыт и на выходе уста­навливается высокий потенциал (состояние 1). Эти логические схемы, так же как и схемыDTL,являются схемами с отбором тока.

Стандартные TTL-схемы,например серии 155, обычно имеют коэффициент разветвления по выходу, равный 10, и коэффициент объединения по входу 8. Номинальные значения других пара­метров следующие: напряжение источника питания .Еп=5 В, по­требляемая мощность 12 мВт/элемент, задержка 10 нс/элемент. Для серии 1533 потребляемая мощность 2 мВт/элемент, задержка 4 нс/элемент. Напряжения на входе схемы и соответственно равны 0,8 и 2,0 В, а напряжения на выходе и – 0,4 и 2,4 В. Устройст­во, переключающее схему TTL,должно—«отбирать» 1,6 мА в со­стоянии 0 и 40 мкА в состоянии 1. Этим определяетсянагрузочная способность элемента TTL.

Другой важный параметр, связанный с помехоустойчивостью, — запас помехоустойчивости по постоянному напряжению. За­пас помехоустойчивости — есть разность между выходным и вход­ным напряжениями для худшего случая. Когда выход элемента связан со входом другой такой же схемы, существует запас по напряжению , удерживающий управляемую схему в нулевом состоянии. называетсязапасом помехоустойчивости в нулевом состоянии.(Ясно, что для схемы, удерживаемой в ну­левом состоянии, необходим сигнал .помехи, по крайней мере равный на входе, чтобы ошибочно изменить ее со­стояние.) Аналогичнозапас устойчивости для единичного со­стояниясхемы определяется как .Для стандарт­ной TTL-схемы типичные значения и составляют 0,4 В. Помехоустойчивость этого типа схем считается очень хорошей, а величина наводимой помехи—выше средней.

При помощи TTL–cxeм,выполненных на основе технологии МИС, можно реализовать большое количество различных опера­ций. Наряду со стандартными TTL-схемами имеются специальные схемы, которые включаютмаломощные TTL-схеми, быстродейст­вующие TTL-схемы, схемы, с диодами Шоттки, маломощные TTL- схемы, с диодами Шоттки.Маломощные ТТLсхемы характеризу­ются потребляемой мощностью 1 мВт/элемент и задержкой 33 нс/элемент. БыстродействующиеTTLимеют задержку 6 нс и по­требляемую мощность 22 мВт/элемент.TTL-схемыс диодами Шоттки и маломощные TTL-схемы с диодами Шоттки имеют за­держку соответственно 3 и 10 нс/элемент, а потребляемые мощно­сти 22 и 2 мВт/элемент.

Рекомендации по применению TTL микросхем.

Все ИС ТТЛ по логическим уровням напряжения совместимы друг с другом. Однако по нагрузочной способности ИС различных серий имеют различия. Превышение нагрузочной способности по отношению к заданной техническим условиям приводят к ухудшению других параметров ИС: снижению быстродействия, увеличению потребляемой мощности, ухудшению помехоустойчивости и надежности. Для обеспечения большого тока в серии К155, К555, Е531 введены схемы с повышенной нагрузочной способностью как с двухтактным выходом (типа К155ЛА6, К555ЛА6, К155ЛА12 и др.), так и с открытым коллектором. В качестве коллекторного резистора в схемах с открытым коллектором может быть использован внешний резистор от 500 Ом до 1 кОм.

Неиспользуемые входы можно оставлять не подключенными при этом уровень на таком входе воспринимается как логическая 1 или подключать к источнику питания через резистор 1 кОм, для формирования логического 0 соответствующий вход подключают к «земле».

Логические схемы с эмиттерными связями

В стандартных TTL- схемах переход из одного состояния в дру­гое требует переключения выходного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, в состояние насыщения или выхода его из этого состояния. Когда транзистор переключается в состояние насыщения, базовая область насыщается неосновными носителя­ми. Чтобы выключить транзистор, требуется время на удаление неосновных носителей, что ограничивает быстродействие схемы. Логические схемы, работающие в активной зоне между областями насыщения и отсечки, называютсясхемами с эмиттерными связя­ми или ЭСЛ-схемами.

Стандартная схема ЭСЛпоказана на рис. 2.18. Она состоит из дифференциального усилителя, цепи смещения и эмиттерного по­вторителя на выходе. Цепь смещения работает таким образом, чтоT3 открыт, еслиА и Внаходятся в состоянии 0(T1 иT2 закрыты). При этомT4 заперт и на выходе устанавливается низкий потен­циал (состояние 0). Если жеAили В имеют высокий потенциал (состояние 1), то транзисторT1 илиT2 открыт и ток, протекающий черезT3,уменьшается, вызывая увеличение потенциала коллек­тора. Это приводит к отпираниюT4 и установлению высокого по­тенциала (состояния 1) на выходе. Такая работа схемы соответ­ствует операции ИЛИ. Если на выходе схемы стоит дополнитель­ный эмиттерный повторитель и его база связана с коллекторомT2, то схема реализует операцию ИЛИ-НЕ. По этой причине типо­выми схемамиЭСЛобычно считают схемы ИЛИ и ИЛИ-НЕ.

Рис. 2.18. Стандартная схема ЭСЛ.

В стандартных схемах ЭСЛ коэффициент объединения по входу и коэффициент разветвления по выходу обычно имеют значения 5 и 50 соответственно, напря­жения источников питания Ек=0иЕэ= -5,2 В, номинальные зна­чения .потребляемой мощности 25 мВт/элемент, задержка 2 нс/эле­мент, = - 1,85 В, = - 0,810 В, = -l,65 В и = - 0,96 В. Помехоустойчивость схем считается удовлетворительной (запас помехоустойчивости =0,2 В и =0,15 В), величина наводимой помехи ниже средней величины. Рассмотренный класс схем реализует довольно широкий набор различных функций и обладает такими достоинствами, как малое время переключения (за­держка по меньшей мере на порядок меньше, чем в TTL-схемах) и незначительные переходные процессы в цепях питания; обеспе­чивается также возможность совместной работы со схемамиTTL.

Наибольшее распространение ЭСЛ микросхем получило серия К1500 и К500. Логические элементы в микросхемах К1500 имеют типовое время задержки сигнала при переключении менее 1 нс.

Рекомендации по применению ЭСЛ микросхем.

Одной из главных задач при проектировании устройств на ИС серии ЭСЛ является обеспечение их устойчивой работоспособности в реальных условиях при воздействии внешних факторов, К основным дестабилизирующим фактором относится отклонения напряжения электропитания от номинального значения. Этот фактор снижает помехозащищенность спроектированной аппаратуры. Необходимо предусматривать влияния внешних факторов при работе на высоких частотах.

Комплементарная логика

Схемы комплементарной логики —это МОП-схемы, характери­зующиеся низкой потребляемой мощностью и высокой помехо­устойчивостью. Логические схемы этого типа изготавливают на базеn- иp-канальных МОП - транзисторов. Стандартная компле­ментарная МОП-схема (КМОП) представлена на рис. 2.19. Когда входыАиВимеют высокий потенциал (состояние 1),T1 иT2 за­крыты, аT3 иT4 открыты и на выходе схемы низкий потенциал (состояние 0). Если жеАилиВ(или оба входа) находятся в со­стоянии 0, тоT1 иT2 открыты, аT3 иT4 закрыты и на выходе вы­сокий потенциал (состояние 1). Таким образом, данная схема работает как схема И-НЕ. Если в этой схеме поменять местамир- иn- канальные транзисторы, то схема будет выполнять функцию ИЛИ-НЕ. Следовательно, стандартная КМОП - схема – это либо схема И-НЕ, либо схема ИЛИ-НЕ.

Рис. 2.19. Стандартная комплементарная МОП-схема, реализующая функцию И-НЕ.

В соответствии с рис. 2.19 А и Вявляются входами схемы на МОП-транзисторах. Так как их входное сопротивление порядка 10¹²Ом, то ток во входной цепи фактически не потребляется. В связи с тем, что один из двух транзисторов, связанных с каж­дым входом (т. е. Т1-Т3 и Т2-Т4),находится всегда в состоянии насыщения, выходное сопротивление низкое и коэффициент раз­ветвления по .выходу высокий. Кроме того, в статическом режиме один транзистор в каждой из цепей, проходящих от Ес к земле (т. е. Т1-Т3 и Т2-Т4), всегда находится в режиме отсечки, поэто­му нет утечки на землю. Потребляемая мощность связана лишь с утечкой в полевых МОП-транзисторах, которая в отдельных схе­мах составляет величину до нескольких нановатт. Однако в дина­мическом режиме паразитные емкости в схеме вызывают повышен­ное потребление мощности. При частоте переключения 1МГц по­требляемая мощность может увеличиваться до 1 мВт/элемент.

Рекомендации по применению МОП-схем.

Интегральные схемы выполненные по МОП технологии менее критичны к напряжению электропитания. Напряжение питания для некоторых микросхем может колебаться в диапазоне от 3 до 15 вольт. Недопустимо оставлять входные сигналы незадействованными. Главным недостатком МОП-схем их низкое быстродействие, особенно при нагрузках на выходе имеющей емкостной характер.