Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Товароведение arrow Электроника

Логические элементы интегральных микросхем

Транзисторно-транзисторные логические элементы

Основой для биполярных цифровых ИС является многоэмиттерный транзистор, обеспечивающий реализацию логических операций И и ИЛИ. Он используется во входных цепях микросхем, а вместе с обычным транзистором-инвертором образует базовую логическую схему. Цифровые ИС, в которых для логических операций И и ИЛИ используются многоэмиттерные транзисторы, а для операции НЕ – транзисторный инвертор, получили название транзисторно-транзисторной логики или сокращенно ТТЛ.

На рис. 3.9 показана простейшая схема ТТЛ. Если на все входы транзистора VT1 подан высокий потенциал, то все его эмиттеры заперты и эмиттерные токи отсутствуют. Заметим, что полярность источника питания Uип – прямая для p-n-перехода база–коллектор транзистора VT1, и этот переход остается открытым. Поэтому по цепи "Uип – R1 – база VT1 – коллектор VT1 – база VT2 – эмиттер VT2 – корпус" течет ток IБ нас, который открывает и вводит в насыщение транзистор VT2.

Простейший элемент ТТЛ

Рис. 3.9. Простейший элемент ТТЛ

Так как VT1 и R> представляют инвертор (см. рис. 3.6, а), при насыщенном VT2 на выходе схемы образуется сигнал О, потому что потенциал Uвых окажется близким к низкому потенциалу корпуса. Сопротивление резистора R1 подобрано так, чтобы за счет падения напряжения на нем от тока IБ нас транзистора VT2 потенциал точки а (базы транзистора VT1) был бы ниже, чем +UΒΧ, и эмиттеры VT1 оставались бы запертыми.

При подаче низкого потенциала 0 хотя бы на один из входов открывается р-n-переход этого эмиттера, появляется значительный ток Iэ, который создает на R1 падение напряжения IЭR1 почти целиком уравновешивающее Uип. Потенциал точки а приближается к нулевому потенциалу корпуса, в результате чего разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора VT2 становится близкой к нулю, ток IБ транзистора VT2 прекращается и он переключается в режим отсечки. В результате потенциал Uвых ≈ Uun. Таким образом, в позитивной логике, когда за логическую единицу принят высокий уровень напряжения, миогоэмиттерный транзистор VT1 выполняет операцию И, а транзистор VT2 с резистором R2 операцию НЕ, реализуя таким образом базис И-НЕ. В негативной логике, когда за логическую единицу принимается низкий уровень напряжения, схема реализует базис ИЛИ-HE, что и обозначают в скобках на выходе схемы у.

В простейшей схеме ТТЛ транзисторы входят в насыщение, а это ведет к увеличению времени переключения схемы, поэтому в интегральной схемотехнике эта схема в чистом виде не используется. Для устранения режима насыщения транзисторов в настоящее время в ИС используются транзисторы Шоттки, отчего в названии логики появилась буква "Ш" – ТТЛШ.

Базовый элемент ТТЛШ представлен на рис. 3.10. Вместо инвертора, состоящего из транзистора VT2 и резистора R2 в схеме рис. 3.9 применяют сложный инвертирующий каскад, который обеспечивает высокий ток нагрузки и значительно меньшую потребляемую мощность. Сравним эти схемы.

Базовый элемент ТТЛШ

Рис. 3.10. Базовый элемент ТТЛШ

При синтезе различных цифровых устройств одного логического элемента, конечно, недостаточно. Поэтому нагрузкой для логического элемента являются входы аналогичных логических элементов – эмиттеры многоэмиттерных транзисторов. Пусть на выходе схемы обычного инвертора логический нуль. При этом ток в нагрузку не течет, зато через резистор R2 будет течь значительный коллекторный ток насыщения, который просто нагревает схему. Когда на выходе схемы логическая единица, транзистор VT2 закрыт. Ток в нагрузку будет течь от источника питания через резистор R2. Чем больше ток нагрузки, тем больше будет падение напряжения на резисторе. При этом мощность, рассеиваемая на резисторе, возрастает, а выходное напряжение, соответствующее логической единице, падает и может стать недопустимо низким.

В схеме сложного инвертора в выходном каскаде применен составной эмиттерный повторитель, состоящий из транзисторов VT3 и VT5. Теперь гок нагрузки создается транзистором VT5. Ток эмиттера транзистора VT3 является током базы для транзистора VT5, поэтому он может быть в β5 раз меньше тока нагрузки (β5 – коэффициент передачи тока транзистора VT5). Ток через резистор R-> теперь является током базы для транзистора VT3 и может быть меньше его эмиттерного тока в β3 раз (β3 – коэффициент передачи тока транзистора VT3). Таким образом, ток через резистор R'2 может быть меньше тока нагрузки в β3 • β5 раз. Ток открытого транзистора VT2 в схеме сложного инвертора, так же как и в схеме обычного инвертора, обеспечивает уровень логического нуля. Но теперь он может быть гораздо меньше. Он должен лишь обеспечивать открытое состояние транзистора VTA, который обеспечивает на выходе схемы потенциал, близкий к потенциалу корпуса. Каскад, состоящий из транзистора VT6 и резисторов R4, R6, необходим для ускоренного включения транзистора VTA. В момент переключения схемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля транзисторы VT2, VTA и VT6 закрыты и переход база–эмиттер транзистора VT6 имеет высокое сопротивление. Сопротивление транзистора VT6, высокое в начале переходного процесса, складывается с сопротивлением R4, и эмиттерный ток транзистора VT2 на их общем сопротивлении создает увеличенное падение напряжения, которое быстрее открывает транзистор VT4. В момент выключения транзисторов при переходе из логического нуля к логической единице транзистор VT6 открыт, что позволяет транзистору VT2 быстрее перейти в запертое состояние.

Для повышения помехоустойчивости эмиттеры VT1 соединены с корпусом через диоды VD1, VD2, запертые для входных сигналов положительной полярности. Они открываются только при отрицательной полярности напряжений на входах, что наблюдается при переходных процессах, когда из-за паразитных индуктивностей и емкостей в цепях, подключенных к входам базового элемента, возникают затухающие колебания. Их значительная начальная амплитуда может вызвать ложное срабатывание входной логики. При включении диодов этого не происходит, так как первая же отрицательная полуволна помехи открывает диод и замыкается через него. При этом на соответствующем эмиттере создается напряжение, равное ЭДС отпирания диода, не превышающее долей вольт. Следующие затухающие как отрицательные, так и положительные полуволны помехи имеют еще меньшую амплитуду, не превышающую сигнала логической единицы и, значит, не вызывающие ложного срабатывания элемента.

Первоначально на основе элементов ТТЛШ разрабатывались быстродействующие цифровые вычислительные устройства и, в частности, ЭВМ. Однако в дальнейшем совершенствование технологии КМОП привело к вытеснению элементов ТТЛШ, поскольку элементы КМОП обладают гораздо меньшей потребляемой мощностью. Тем не менее элементы ТТЛШ в настоящее время продолжают использоваться главным образом во входных и выходных цепях вычислительных устройств. Это объясняется их высокой помехоустойчивостью, способностью работать на емкостную нагрузку, которая всегда присутствует там, где выходные линии связи имеют протяженность более нескольких дециметров.

Логические элементы на КМОП-транзисторах

Как было показано на примере инвертора, выполненного на КМОП-транзисторах, отличительной особенностью таких МОП-структур является их свойство не потреблять мощности в статическом режиме. При любом сочетании сигналов открывание МОП-транзистора одного типа сопровождается запиранием МОП-транзистора противоположного типа.

Общая закономерность построения таких структур состоит в том, что параллельное соединение одного типа транзисторов сопровождается последовательным соединением транзисторов противоположного типа. Проиллюстрируем это положение на базовых элементах, реализующих функции ИЛИ-HE и И-НЕ.

В схемах (рис. 3.11) пары транзисторов VT1, VT3 и VT2, VTA образуют комплементарные структуры: когда один из них заперт, то другой открыт. Пусть в схеме на рис. 3.11, а на оба входам х1 и х2 подан логический нуль. Тогда транзисторы n-типа У7Ти VT2 заперты, так как разность потенциалов между их затворами и истоками близка к нулю. Транзисторы p-типа VT3 и VT4 открыты, потому что нулевой потенциал, подведенный к затворам относительно их подложек, создаст отрицательную разность потенциалов, необходимую для индуцирования в них p-канала. Но так как через эти каналы протекают лишь пренебрежительно малые токи запертых транзисторов VT1 и VT2, падения напряжения на транзисторах VT3 и VT4 незначительны и, значит, выходное напряжение, почти равное + Uип, соответствует логической единице.

Базовые элементы на комплементарных МОП-транзисторах

Рис. 3.11. Базовые элементы на комплементарных МОП-транзисторах:

а – ИЛИ-HE; б – И-НЕ; в – КМОП-структура

Если хотя бы на один из входов, например Х, подать логическую единицу, т.е. потенциал, близкий к +Uип то соответствующий p-транзистор (в данном случае VТ3) закроется, отключая +Uип от выхода, на котором через открывшийся транзистор n-типа (в рассматриваемом примере VT1) подан нулевой потенциал корпуса, т.е. логический нуль. Таким образом, схема реализует функцию ИЛИ-HE. Как и в случае инвертора, в рассмотренной схеме перепад выходных напряжений близок к напряжению питания (коэффициент использования напряжений ключевой схемы близок к единице). Поэтому помехоустойчивость логических ИМС на КМОП-структурах высока.

Аналогично можно разобрать работу схемы, реализующей функцию И-НЕ (рис. 3.11, б). Как и в логике ТТЛШ, в рассматриваемых базовых элементах реализуется принцип двойственности, т.е. при смене позитивной логики на отрицательную одна и та же схема может выполнять функции как ИЛИ-HE, так и И-НЕ.

К преимуществам элементов на КМОП-структурах (рис. 3.11, в) относится способность работать без сбоев при больших разбросах напряжения питания.

Благодаря своим уникальным параметрам – малой потребляемой мощности, высокой помехоустойчивости, широким допускам на величину питающих напряжений, высоком быстродействии при небольших емкостных нагрузках – КМОП-элементы получили широкое распространение в интегральной схемотехнике. Эти элементы являются доминирующими в микропроцессорных БИС/СБИС, полупроводниковых запоминающих устройствах и СБИС программируемой логики. В современных БИС/СБИС на основе КМОП-структур выполняются внутренние области микросхем, в то время как на ТТЛШ-структурах – область периферийных схем, где требуется передача сигналов по внешним (по отношению к микросхеме) цепям, испытывающим значительную емкостную нагрузку.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы