Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Интегральные логические схемы





3.1. Общие сведения об интегральных логических схемах

Интегральные логические схемы (ИЛС) представляют собой обширный класс электронных схем, входящих в элементную базу практически всех видов цифровых устройств. ИЛС изготавливаются по микроэлектронной технологии, поэтому они называются интегральными. Назначение ИЛС состоит в выполнении логических операций над электрическими сигналами, представляющими двоичные цифровые переменные: логическую единицу и логический ноль. Содержание логических операций описывается правилами булевой алгебры и будет подробно рассмотрено при изучении цифровых устройств. С точки зрения схемотехники импульсных устройств ИЛС представляют ключевые каскады, переходящие из состояния закрытого в открытое. Изменяющиеся при этом напряжения или токи сопоставляются с логическими единицей и нолем. Для изучения ИЛС потребуется знание основных логических операций. К ним относятся три следующие операции.

Инверсия преобразует логическую единицу в ноль или наоборот. В булевой алгебре инверсия обозначается чертой над переменной: . Читается: равно НЕ . Схемотехнически инверсия реализуется транзистором в ключевом режиме (рис.3.1).

Рис. 3.1

Дизъюнкция, или логическое сложение, определяется для двух или более входных переменных как функция, приобретающая единичное значение, если хотя бы одна из входных переменных приобретает единичное значение. Операция дизъюнкции записывается как . Схема на рис.3.2 демонстрирует выполнение над входными переменными , операции дизъюнкции, совмещённой с инверсией . Читается: ИЛИ НЕ. Из рис.3.2 следует, что выходная переменная принимает минимальное значение (логический ноль), если хотя бы одна входная переменная переводит соответствующий транзистор в режим насыщения. ИЛС типа рис.3.2 называются схемами резисторно-транзисторной логики (РТЛ).

Рис. 3.2

Конъюнкция, или логическое умножение, определяется для двух или более входных переменных как функция, приобретающая единичное значение тогда и только тогда, когда обе (все) входные переменные приобретают единичное значение. Операция записывается как , читается: И . Схема на рис.3.3 демонстрирует выполнение операции И над входными переменными , совмещённое с инверсией: . В этой схеме, если хотя бы одна из входных переменных имеет нулевое значение, соответствующий диод открывается, ток от источника через резистор утекает в этот диод и транзистор находится в отсечке. Тогда, и только тогда, когда все входные переменные приобретают единичное значение, все диоды закрываются и ток через резистор переключается в базу транзистора и переводит его в состояние насыщения. Для улучшения помехоустойчивости в закрытом состоянии в базу танзистора включён дополнительный диод . Схема рис.3.3 называется ИЛС диодно-транзисторной логики (ДТЛ). Схемы ДТЛ по принципу действия подобны и исторически предшествовали широко распространённым ИЛС транзисторно – транзистоной логики (ТТЛ), которые будут подробно рассматриваться.

Рис. 3.3

3.2. Основные технические показатели ИЛС

Перечислим наиболее важные технические показатели ИЛС, которые будут обсуждаться в последующем изложении.

 

-Тип технологии. Этот показатель относится к схемотехническим решениям, использованным в ИЛС. Уже упоминались ИЛС типа РТЛ, ДТЛ, ТТЛ. Будут рассмотрены и другие типы технологий.

 

- Функциональные возможности ИЛС. В цифровых устройствах ИЛС используются в достаточно сложных схемотехнических комбинациях. При этом число входных переменных определяет число входов ИЛС, которое называется коэффициентом объединения по входу и обозначается буквой .

К выходу каждой ИЛС может быть присоединено по одному из входов от нескольких ИЛС, другие входы которых соединены с другими схемами. Максимально возможное число ИЛС – нагрузок, входы которых могут быть присоединены к выходу данной ИЛС, называют нагрузочной способностью, или коэффициентом разветвления по выходу и обозначают буквой .

- Уровни логических сигналов. Уровни напряжений ИЛС задаются как неравенства: - условие, когда напряжение на транзисторе в ключевом режиме может считаться напряжением логической единицы и в отношении логического нуля. Разность называют величиной логического перепада.

 

-Передаточная характеристика. Это зависимость выходного напряжения ИЛС от напряжения на одном из её входов при фиксированных значениях на других. На рис.3.1 показан типичный вид передаточной характеристики ИЛС, предполагающий инвертирующий характер логики. Напряжения и близки к напряжениям логической единицы и нуля. В зависимости от схемной реализации это могут быть величины близкие к напряжению питания и напряжению насыщения.

Рис.3.4

Диаграмма рис.3.1 показывает переход транзистора ИЛС под воздействием изменения от отсечки в насыщение через активный режим.

 

-Помехоустойчивость. Помехоустойчивость ИЛС как ключевых элементов определяется напряжением помехи, при котором ёще не происходит ложного переключения. Как отмечалось при рассмотрении граничных состояний транзистора в ключевом режиме, помехоустойчивость определяется напряжением открывающей или закрывающей помехи, которая выводит транзистор в активный режим. Для оценки допустимой величины такой помехи используем рис.3.4, где ко входу ИЛС приложено напряжение логической единицы (точка 1). Предполагается, что к выходу ИЛС подключена цепочка последовательно включенных идентичных элементов. Напряжение на выходе первой схемы поддерживает схему-нагрузку в состоянии насыщения. Приложение ко входу помехи запирающей полярности переводит схему в точку и напряжение на выходе ИЛС увеличивается. Однако на начальном участке передаточной характеристики коэффициент передачи невелик: и на вход следующей ИЛС действует ослабленное напряжение помехи , которое последовательно уменьшается на выходе второй и последующих ИЛС, сохраняя правильное алгоритмическое состояние цепочки элементов. По мере увеличения напряжения помехи коэффициент передачи возрастает и при достижении ослабление помехи изменяется на усиление, при этом первая или последующие ИЛС переходят в неалгоритмическое состояние. Поэтому допустимую величину помехи определяют из условия (точка на рис.3.4): . Аналогичным образом допустимую помеху открывающей полярности для схемы в состоянии определим в точке : . Помехоустойчивость ИЛС к открывающим и закрывающим помехам определяется различными свойствами схем и поэтому может заметно различаться, как на рис.3.4. Заметим, что приведенная оценка помехоустойчивости относится к медленным, квазистатическим помехам. Если длительность помехи много меньше времени переключения схемы, то такая помеха не представляет опасности. Наиболее сложный для анализа случай, когда длительность помехи и время переключения схемы близки обычно требует конкретного решения.

 

- Параметры быстродействия.

ИЛС используются в достаточно длинных логических цепочках, в которых длительность фронта переключения, как было показано в (2.2.6), достаточно быстро устанавливается на уровне около одиночного ключа и в последующих каскадах практически не увеличивается. Поэтому длительность переключения отдельных каскадов при оценке быстродействия сложного устройства представляет незначительный интерес и переходный процесс моделируется линейно-ломанными функциями или даже ступенчатыми, а инерционные свойства ключа задаются временами задержки, которые могут различаться для процессов насыщения и отсечки транзистора (рис.3.5).

Рис.3.5

При этом быстродействие ИЛС определяется единственным параметром: средним временем задержки распространения

. (3.2.1)

Как было показано в (2.4.3), при прохождении цепочки ИЛС время задержки возрастает пропорционально числу элементов . Использование этого правила является наиболее распространённым практическим способом оценки быстродействия цифрового устройства.

 

-Потребляемая мощность. В ключевых каскадах ИЛС в статическом режиме нуля или единицы расходуется электрическая мощность постоянного тока за счёт протекания токов через резисторы, которая может отличаться для режимов отсечки и насыщения. Среднюю величину такой мощности называют статической потребляемой мощностью. Как отмечалось в 2.2.8, статическая мощность, расходуемая на транзисторах в ключевом режиме, пренебрежимо мала: либо ток транзистора в режиме отсечки близок к нулю, либо напряжение на коллекторе насыщенного транзистора весьма мало.

Другая ситуация имеет место в процессе переключения транзисторов, когда протекают токи перезаряда паразитных ёмкостей. Каждый процесс переключения при этом связан с расходом определённой энергии, в результате расходуется мощность, пропорциональная частоте переключения. Такая мощность называется динамической. Соотношение статической и динамической потребляемых мощностей зависит от типа технологии используемых ИЛС и может составлять или близкие величины, или существенно различные, как будет показано в дальнейшем. Статическая и динамическая мощности являются отдельными техническими покзателями ИЛС.

 

-Плотность компоновки. Для ИЛС средней степени интеграции этот показатель обычно означает число ИЛС, находящихся в одном корпусе. При этом технические показатели схем могут относиться к одиночной схеме (среднее время залержки) или ко всему корпусу (обычно это потребляемая мощность).

 

- Надёжность. Надежность ИЛС определяется интенсивностью отказов , которая является показателем уровня используемой микроэлектронной технологии. Величина [отказов/час] обычно относится к отдельной микросхеме и для разрабатываемого микроэлектронного устройства суммируется по всем микросхемам и конструктивным элементам схемы (контактам, разъёмам), определяя общую интенсивность отказов изделия и соответствующую вероятность безотказной работы за требуемое время .

 

3.3. Интегральные схемы резисторно-транзисторной логики (РТЛ)

 

Принципиальная схема базового элемента РТЛ и её условное изображение показаны на рис.3.6. Схема выполняет логическую операцию ИЛИ-НЕ: при подаче на любой вход напряжения логической единицы соответствующий транзистор входит в насыщение и на выходе схемы образуется напряжение логического ноля . На условном изображении рис.3.6 б операция ИЛИ отображается знаком 1, а операция инверсии – кружком на выводе .

Рис.3.6 а,б

 

Для определения технических показателей РТЛ, рассмотрим схему-генератор, к выходу которой присоединены входов схем-нагрузок, имеющих входов каждая (рис.3.7 а.б).

Рис.3.7 а,б

 

Если транзистор схемы-генератора находится в насыщении, все транзисторы схем – нагрузок , подключённые базами к его коллектору, находятся в отсечке, поскольку .

В случае закрытого состояния транзистора транзисторы присоединённых схем-нагрузок должны находиться в состоянии насыщения. Это возможно, если ток коллекторной цепи схемы-генератора достаточен для насыщения транзисторов схем-нагрузок.

Напряжение на коллекторе закрытого транзистора (напряжение логической единицы) меньше напряжения питания за счёт протекания токов базы через резистор : . Ток каждой базы определяется как

,

или . (3.3.1)

Сопротивление резистора снижает величину открывающего тока, но выполняет полезную роль уменьшения разброса токов схем-нагрузок, вызываемого неизбежным разбросом величины их входных характеристик:

.

В первоначальных вариантах схем с непосредственной связью (НСТЛ) при достигаемые показатели нагрузочной способности были низкими за счёт «перехвата» большей части коллекторного тока базой транзистора с минимальной величиной . В дальнейшем для РТЛ будем считать .

Степень насыщения транзисторов схем-нагрузок при заданном базовом токе зависит от их коллекторных токов. В РТЛ схемах-нагрузках коллекторный ток каждого транзистора определяется состоянием остальных информационных входов в каждой схеме. Если все эти входы имеют нулевой потенциал, то соответствующие транзисторы закрыты и коллекторный ток транзистора, присоединённого к схеме-генератору, равен . Другой крайний случай имеет место, если эти транзисторов находятся в насыщении. Тогда ток через резистор распределяется между ними . При заданном базовом токе это означает соответствующее изменение степени насыщения транзистора , присоединённого к выходу схемы-генератора.

. (3.3.2)

Задача разработчика ИЛС (любых типов) состоит в определении функциональных параметров схемы с учётом существующего разброса параметров транзисторов и допустимого разброса параметров переключения. Как было показано, максимальная степень насыщения определяет увеличение задержки переключения и должна быть определена, исходя из этого условия. Минимальная величина связана с помехоустойчивостью к открывающей помехе, например, при помехоустойчивость примерно равна . Кроме того, используемая микроэлектронная технология изготовления ИЛС определяет вероятный разброс коэффициентов усиления . В этих условиях параметры ИЛС должны определяться по (3.3.2) для наихудшего случая.

Определим величину коэффициента разветвления (нагрузочной способности) РТЛ, используя (3.3.2):

. (3.3.3)

В этом выражении для наихудшего случая , и заданная по условиям помехоустойчивости величина должна реализовываться при единственном открытом транзисторе схемы-нагрузки . При этом нагрузочная способность ИЛС определяется неравенством:

. (3.3.4)

По мере открытия «посторонних» информационных входов в схеме-нагрузке уменьшается коллекторный ток с соответствующим увеличением степени насыщения. В результате коэффициент объединения по входу ограничивается допустимой по условиям быстродействия величиной степени насыщения и максимальным коэффициентом усиления . Подставляя в (3.3.3), получим

. (3.3.5)

Таким образом, степень насыщения транзисторов в РТЛ схемах изменяется пропорционально числу входов схемы (разброс значений при современной микроэлектронной технологии невелик).

Статическая мощность потребления РТЛ определяется для транзисторов в состоянии насыщения как , а для закрытых транзисторов как . Как отмечалось в 2.2.8, в стохастическом процессе переключения ИЛС эти мощности усредняются. В микроэлектронной схеме усреднение расходуемой мощности естественно происходит между близко расположенными элементами. Отмечалось также, что топологическая близость переключаемых элементов уменьшает скачки тока в цепях питания и тем снижает генерирование помех другим схемам цифрового устройства.

Схемы РТЛ были первыми ИЛС, выпускавшимися отечественной промышленностью. Они были представлены сериями 112, 113, 114, обладавшими малой потребляемой мощностью, близкой к 1 мВт, но большим временем задержки около 100-400 нс. В современных ИЛС структура РТЛ используется многообразно.

 

3.4. Интегральные схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

3.4.1. Базовый элемент ТТЛ

При знакомстве с ИЛС, выполняющими логическую операцию И, были рассмотрены схемы с диодами (рис.3.3). Развитие этой схемотехники в соответствии с возможностями микроэлектронной технологии привело к созданию одного из наиболее распространённых видов ИЛС - транзисторно-транзисторной логики. Базовый элемент ТТЛ показан на рис.3.7.

Рис.3.8

При создании ТТЛ был разработан многоэмиттерный транзистор , число эмиттеров которого определяет число входных переменных ИЛС. Многоэмиттерный транзистор используется в режиме переключения тока, протекающего от источника через резистор . Если на все входы поданы единичные значения переменных, то все эмиттерные входы закрыты, ток от источника через резистор поступает в базу транзистора и переводит его в режим насыщения (логическая операция И-НЕ). Если хотя бы на один из входов подаётся нулевое напряжение, соответствующий эмиттерный переход открывается, и ток через резистор переключается в этот эмиттер. Надёжное переключение возможно, если напряжение логического нуля входа в сумме с напряжением эмиттерного перехода многоэмиттерного транзистора меньше, чем напряжение открытия базового перехода . Для достижения этого в цепь базы устанавливают диод . Считая напряжения открытия переходов база-эмиттер многоэмиттерного транзистора, транзистора и диода равными , определим помехоустойчивость к запирающей помехе

,

где - напряжение на насыщенном транзисторе схемы – генератора, присоединённой к входу .

Детальный анализ схемы многоэмиттерного транзистора представляет весьма сложную проблему. Интересен вопрос о функции двух соседних эмиттеров многоэмиттерного транзистора В условиях, когда один из переходов эмиттер-база открыт, а другой закрыт, эта пара с базовым выводом представляет из себя «паразитный» транзистор. Для конструкторов микроэлектронной схемы ТТЛ важной задачей являлось снижение усилительных свойств таких транзисторов, свойства которых можно задать коэффициентом передачи инверсной транзисторной структуры . В рамках рассмотрения функционального действия ИЛС не будем рассматривать эти детали, относящиеся к микроэлектронной технологии.

Соединение базовых ТТЛ схем в составе цифрового устройства осуществляется, как и для РТЛ: к выходу схемы генератора присоединяется по одному эмиттеру от схем-нагрузок, имеющих входов каждая. При закрытом транзисторе схемы-генератора (лог. , или состояние открытия хотя бы одного из входов ) напряжение на выходе закрывает все присоединённые входы схем-нагрузок. Ограничения нагрузочной способности не происходит.

Если закрыты все входы транзистор схемы-генератора переходит в насыщение (лог. ) под воздействием тока базы . Ток в коллекторе при этом складывается из тока через резистор и токов, вытекающих из присоединённых эмиттеров схем–нагрузок. Каждый из этих токов зависит от состояния других входов этих схем, в которых ток через резистор делится между открытыми эмиттерами. В результате ток коллектора меняется в диапазоне от до .

При рассмотрении схем РТЛ типа были обсуждены проблемы, связанные с допустимым изменением степени насыщения открытого транзистора и с разбросом величины параметра . Применяя аналогичные выкладки к схеме рис.3.8, для нагрузочной способности получим совпадающий результат:

. (3.4.1)

Несколько отличающееся, но имеющее тот же смысл, что и для РТЛ, выражение для коэффициента объединения по входу можно вывести самостоятельно.

Рассмотренные соотношения описывают статические состояния логического ноля и единицы. Динамические процессы переключения ИЛС складываются из рассмотренных выше переходных процессов переключения транзисторных ключей. При этом кроме инерционных свойств транзисторов приходится учитывать свойства цепей нагрузки, в первую очередь наличие неизбежной монтажной ёмкости.

 

3.4.2. ТТЛ элементы со сложным инвертором

 

В технологии ТТЛ широко используются усложнённые схемы, обеспечивающие улучшенную нагрузочную способность в том числе с учетом свойств цепи нагрузки (рис.3.9). В этой схеме выходной транзистор базового элемента ТТЛ включён по схеме с разделёнными коллекторной и эмиттерной нагрузками резисторы ( и ).

Рис.3.9

Выводы коллектора и эмиттера присоединяются к базам дополнительных транзисторов и . Такое схемное решение называют сложным инвертором. Для схемы рис.3.9 будем предполагать типовую величину сопротивлений резисторов:

кОм, кОм, , Ом, В.

При включении логического нуля хотя бы на один из входов ТТЛ транзистор закрывается. Заметим, что напряжение на базе относительно минусовой шины источника питания, требуемое для его открытия, складывается из двух напряжений открытия базо-эмиттерных переходов транзисторов и , т.е. составляет . Поэтому в цепи базы отсутствует диод , обеспечивавший надёжное переключение тока транзистором в базовой схеме (рис.3.8). При закрытом ток его эмиттера равен нулю и тоже закрыт. При этом транзистор открывается током через резистор и оказывается в активном режиме с нагрузкой в эмиттерной цепи. Ёмкость быстро заряжается с постоянной времени, определяемой сопротивлением (выходное сопротивление эмиттерного повторителя). После заряда ток эмиттера существенно уменьшается вследствие большого сопротивления , моделирующего непредусмотренные утечки (например, токи закрытых переходов) в цепях нагрузок ТТЛ. Режим транзистора при этом малом токе определяется отношением .

Назначение резистора состоит в ограничении максимальной величины импульса тока заряда конденсатора при переключении, создающего по цепи питания помехи другим схемам устройства. Сопротивление выбирается так, чтобы был открыт с небольшой степенью насыщения. В типовом случае и насыщение обеспечивается при . Заметим, что насыщение происходит при очень малом коллекторном токе , т.е. избыточный заряд в базе невелик и процесс обратного переключения не сопровождается значительным временем этапа задержки.

Таким образом, после закрытия и и насыщения на выходе сложного инвертора устанавливается напряжение логической единицы

. (3.4.2)

При типовом напряжении питания и величинах В и В получаем В. Назначение диода будет выяснено позднее.

Обратное переключение происходит при закрытии всех логических входов ТТЛ схемы. При этом ток резистора переключается в базу и переводит транзистор в активный режим. Эмиттерный ток поступает в базу и открывает его. В результате достигается большой коэффициент усиления тока двух транзисторов (пара Дарлингтона). Усиленный ток быстро разряжает паразитную ёмкость . По окончании разряда при типовых сопротивлениях резисторов и транзисторы и переходят в насыщение и на выходе устанавливается напряжение логического нуля, равное напряжению насыщения :

. (3.4.3)

Транзистор при этом должен перейти в отсечку. Напряжение на базе относительно «земли» равно сумме напряжения насыщения и напряжения на базе : В. Для обеспечения закрытия в цепь его эмиттера устанавливается диод , в результате напряжение на эмиттере В, т.е. При этом помехоустойчивость по отношению к открывающей помехе оценивается величиной напряжения отпирания .

 

3.4.3. Потребляемая мощность ИЛС

 

На примере рассматриваемого элемента ТТЛ выясним основные характеристики показателей мощности, потребляемой ИЛС различных типов, используя сведения, приведенные в 2.2.7.

Статическая мощность потребления элемента ТТЛ со сложным инвертором различается в режимах закрытого и открытого . В первом случае на выходе элемента напряжение логической единицы, ток источника протекает через резистор и базо-эмиттерный переход многоэмиттерного транзистора: . При выбранных типовых параметрах ТТЛ этот ток составляет около 1 мА, т.е. потребляемая мощность 5 мВт. Транзисторы и закрыты и энергии не потребляют.

В состоянии логического нуля открыт, ток через имеет почти ту же величину мА, но потребляемая мощность увеличивается за счёт коллекторного тока . При типовом сопротивлении кОм ток мА. В результате суммарная потребляемая мощность мВт. Заметное различие потребляемой мощности в состояниях логического нуля и единицы относится, как отмечалось, к недостаткам ТТЛ ИЛС, генерирующей при скачках тока в цепи питания помехи другим схемам. В паспортных данных ИЛС приводится среднее значение потребляемой мощности: 10 мВт. Удвоенную мощность потребляют две расположенные рядом микроэлектронные схемы ТТЛ: генератора и нагрузки, при этом физически усредняется тепловой режим и практически устраняются проблемы, связанные со скачками тока в цепи питания.

 

Динамическая мощность, потребляемая транзисторами ИЛС.

В статическом состоянии ИЛС мощность расходуется в резисторах, через которые протекают токи, а транзисторы находятся в насыщении или в отсечке и поэтому практически не потребляют энергии, поскольку либо напряжение на коллекторе близко к нулю, либо ток практически отсутствует. Это положение нарушается в процессе переключения транзистора, когда в середине активного участка произведение тока на напряжение, т.е. коллекторная мощность, достигает максимума. В разделе 2.2.7 отмечалось, что мощность в активном режиме незначитель







Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.