Базовые логические элементы цифровых

Интегральных микросхем

Логические интегральные микросхемы, выпускаются в виде серии логических элементов. Логические интегральные микросхемы, выполненные по биполярной технологии и схемотехнической реализации, делятся на следующие группы:

1. Транзисторная логика с непосредственной связью между логическими элементами (ТЛНС).

2. Транзисторная логика с резистивными связями между логическими элементами (ТРЛ).

3. Резистивно–емкостная транзисторная логика (РЕТЛ).

4. Диодно–транзисторная логика (ДТЛ).

5. Транзисторно–транзисторная логика (ТТЛ).

6. Эмиттерно–связанная логика.

7. Инжекционная интегральная логика И²Л.

С применением полевых транзисторов наибольшее развитие получили микросхемы КМДП логики.

Серии цифровых интегральных микросхем ТЛНС, ТРЛ, РЕТЛ, ДТЛ хотя и продолжают выпускаться промышленностью, но используются для комплектации находящейся в эксплуатации электронной аппаратуры и не используются в новых разработках. Наиболее интенсивное распространение в настоящее время получили серии цифровых интегральных микросхем, построенных на основе ТТЛ, ЭСЛ, И²Л, КМПД логики.

Разработка каждой серии микросхем начинается с базового логического элемента – основы всех элементов, узлов и устройств серии. Базовые логические элементы выполняют либо операцию И–НЕ, либо ИЛИ–НЕ. Разнообразие типов базовых элементов объясняется тем, что каждый из них имеет свои достоинства и свою область применения.

9.9. Диодно–транзисторная логика

Диодно–транзисторная логика (ДТЛ) представляет собой сочетание диодных логических ячеек с транзисторным инвертором. Базовым логическим элементом всех серий ДТЛ является элемент Шеффера (элемент И–НЕ), реализующий операцию логического умножения с отрицанием. Промышленностью выпускается следующий перечень серий элементов ДТЛ: К104, К109, К121, К128, К146, К202, К215, К217, К218, К221, К240, К511.

Схема логического элемента ДТЛ представлена на рис. 9.14.

Входные диоды VD1…VD3 и резистор R₁ образуют входную логическую схему, выполняющую в положительной логике операцию И. Инвертор на транзисторе VТ1 выполняет логическую операцию НЕ, усиливает и формирует сигналы на выходе до стандартного уровня. Смещающие диоды VD4 и VD5 пред-

назначены для увеличения порога запирания и помехоустойчивости схемы в закрытом состоянии, а резистор R₂ и обеспечивают оптимальную величину тока этих диодов. Диоды VD1…VD3 должны обладать минимальным сопротивлением в проводящем состоянии; высоким (максимальным) обратным напряжением; малой емкостью и малым временем восстановления обратного сопротивления.

Рассмотрим принцип работы ДТЛ. Пусть на один (или на все входы) подается низкий входной сигнал логического нуля . Входной диод (или все диоды) открывается и оказывается замкнутым на общую шину. От источника питания через резистор R₁, открытый диод и входную цепь протекает ток, при этом потенциал точки a уменьшается до уровня прямого падения напряжения на диоде , где U_пр – падение напряжения на открытом входном диоде. При отсутствии VD4, VD5 потенциал базы транзистора VТ1 был бы положительным, а транзистор – открыт. За счет падения напряжения U_{д см} на диодах VD4, VD5 потенциал базы транзистора отрицателен – U_б=U_а–2U_дсм, транзистор закрыт и на выходе схемы формируется высокий уровень напряжения логической единицы. Диоды смещения должны обладать большим сопротивлением, чтобы при относительно малом токе получить большое падение напряжения.

При одновременной подаче на все входы высокого уровня напряжения логической единицы диоды VD1…VD3 запираются. Транзистор VT1 переходит в область насыщения за счет тока, протекающего от источника питания через R₁, смещающие диоды VD4, VD5, в базу транзистора. На выходе схемы появляется низкий уровень напряжения, близкий к нулю .

С целью уменьшения входного тока инвертора при действии на входе схемы напряжения логического нуля входную цепь усложняют, включая транзистор VТ1 (рис. 9.15), который работает как эмиттерный повторитель и увеличивает усиление по току. А для улучшения выходных характеристик логического элемента выходной каскад строится по более сложной схеме.

За счет падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора VТ1, работающего в активном (ненасыщенном) режиме, повышается общая помехоустойчивость и уменьшается время переходных процессов при включении и выключении схемы. Сложный инвертор позволяет повысить нагру-зочную способность. Схема обладает малым выходным сопротивлением в обоих состояниях, благодаря чему заряд и разряд паразитных емкостей в нагрузках следующего каскада протекает быстрее, работа этого инвертора будет рассмотрена при рассмотрении базового элемента ТТЛ.

9.10. Транзисторно–транзисторная логика (ТТЛ)

Элементы транзисторно-транзисторной логики являются дальнейшим усовершенствованием ДТЛ, которая осуществляется заменой диодной сборки многоэмиттерным транзистором. Многоэмиттерный транзистор представляет собой совокупность нескольких транзисторных структур, имеющих общий коллектор и общую базу и непосредственно взаимодействующих друг с другом только за счет движения основных носителей. Эмиттерные переходы МЭТ выполняют функции входных диодов в схемах ДТЛ, а коллекторный переход – роль смещающего диода. Характерной особенностью элементов транзисторно-транзисторной логики является высокая помехоустойчивость, большое быстродействие, хорошая нагрузочная способность, малая потребляемая мощность, высокая надежность, малая стоимость.

Принципиальная электрическая схема, условное обозначение, временные диаграммы базового логического элемента серий ТТЛ приведены на рис. 9.16. Базовый логический элемент ТТЛ выполняет операцию И–НЕ (является элементом Шеффера). Схема базового элемента ТТЛ состоит из двух частей. Входная часть реализует логическую функцию И с помощью VТ1 и резистора R₁. Выходная цепь реализует функцию НЕ и содержит сложный инвертор на транзисторах VТ2…VТ4. Сложный инвертор включает в свой состав простой инвертор (VТ2, R₂) и эмиттерный повторитель (VТ3) с динамической нагрузкой (VТ4), которая управляется эмиттерным током транзистора VТ2. Простой ин-

вертор в этой схеме (VТ2) является фазоинверсным каскадом. Если транзистор VТ2 открыт, то через него протекает большой эмиттерный ток, который является базовым током транзистора VТ4. Транзистор VТ4 открывается и переходит в режим насыщения. А транзистор VТ3 закрывается низким коллекторным потенциалом транзистора VТ2. Выходное напряжение близко к нулю. Если транзистор VТ2 закрыт, то транзистор VТ3 открыт, ибо потенциал базы транзистора VТ3 близок к U_ип, а транзистор VТ4 закрыт. Выходное напряжение имеет высокий уровень и соответствует логической единице. При запирании транзистора VТ4 ток рассасывания избыточных носителей из базы транзистора VТ4 протекает через резистор R₃ на землю. Резистор R₄ ограничивает ток выходного каскада во время перехода схемы из открытого состояния в закрытое, когда транзистор VТ3 уже открылся, а транзистор VT4 еще находится в режиме насыщения. Диод VD обеспечивает надежное запирание транзистора VТ3, при напряжении на выходе схеме равном нулю. Сопротивление резистора R₄ выбирается исходя из заданного значения предельно допустимого тока транзисторов VТ3, VТ4 и диода VD и составляет величину порядка 50…500 Ом. Для сопротивлений других резисторов существуют оптимальные значения: R₁/R₂=2…4; R₂/R₃=1…2; R₂/R₄=10.

Рассмотрим принцип работы схемы. Если хотя бы на один из входов подано напряжение логического нуля, то соответствующий эмиттерный переход многоэмиттерного транзистора VТ1 открывается. Ток базы транзистора VT1 потечет во входную цепь, при этом ток коллектора VТ1 уменьшается, коллекторный переход открывается и транзистор VТ1 насыщается по коллекторной цепи. Напряжение на базе транзистора VТ2 равно сумме входного напряжения и остаточного напряжения на насыщенном транзисторе VТ1: . Поэтому транзистор VТ2 запирается, а транзистор VТ3 и диод VD открываются высоким потенциалом коллектора транзистора VТ2. Транзистор VТ4 – закрыт. Напряжение на выходе имеет высокий уровень и соответствует логической единице "1".

Если на всех логических входах действуют высокие уровни напряжения, то эмиттерные переходы транзистора VТ1 закрываются, VТ1 работает в инверсном активном режиме. Ток от U_ип через R₁, открытый коллекторный переход транзистора VТ1 поступает в базу транзистора VТ2. Транзисторы VТ2, VТ4 открываются, и на выходе схемы имеется уровень напряжения, соответствующий логическому нулю. Транзистор VТ3 и диод VD закрыты.

Базовые элементы различных серий ТТЛ различаются только инверторами, которые должны улучшать переходные характеристики, повышать помехоустойчивость и нагрузочную способность, потреблять небольшую мощность. Для уменьшения входных токов транзистор VТ1 должен обладать малым коэффициентом передачи тока базы в инверсном режиме .

Логические элементы со сложным инвертором потребляют большую мощность, занимают большую площадь кристалла, поэтому на их основе изготавливаются цифровые микросхемы малой и средней степени интеграции.

Быстродействие логических элементов различных серий ТТЛ можно повысить двумя путями:

– уменьшая сопротивление резисторов и паразитные емкости;

– обеспечивая работу транзисторов в активном, т.е. ненасыщенном режиме, при котором отсутствует накопление и рассасывание носителей в базах транзисторов. Оба эти способа повышения быстродействия нашли практическое применение.

Первый способ использовался при создании ТТЛ серий К130 и К131. Второй способ повышения быстродействия цифровых микросхем ТТЛ связан с применением транзисторов с барьером Шотки. При этом высокое быстродействие сочетается с умеренным потреблением мощности. Диоды Шотки подключаются параллельно коллекторному переходу транзистора, а транзисторы с диодами Шотки называют транзисторами с барьером Шотки или транзисторами Шотки (рис. 9.17,а,б). Когда транзистор закрыт или работает в ненасыщенном, активном режиме, потенциал коллектора выше потенциала базы. Диод Шотки закрыт и не влияет на работу транзистора. При насыщении транзистора потенциал коллектора уменьшается, диод Шотки открывается при напряжении 0,3…0,5 В и фиксирует этот уровень напряжения на коллекторном переходе, не позволяя транзистору перейти в режим насыщения. Применение транзисторов Шотки позволяет уменьшить или почти полностью исключить время рассасывания избыточного заряда в базе и тем самым снизить время выключения схемы. На рис. 9.17,в показана принципиальная схема базового элемента ТТЛШ

серии. Промышленностью выпускается следующие серии ТТЛШ логики: К530, К531, КР1531 и маломощные К555, КР1533 с потребляемой мощностью порядка 2 мВт. По принципу действия эта схема аналогична базовому ТТЛ логическому элементу (рис. 9.16). Отличие состоит лишь в том, что в выходном каскаде использован составной транзистор VТ4, VТ5, обеспечивающий повышенный выходной ток, а каскад с ОЭ (генератор тока) на транзисторе VТ3 с резисторами R₃, R₄, включенный в эмиттерную цепь транзистора VТ2, улучшает форму передаточной характеристики, приближая ее к прямоугольной. Транзистор VТ5 реализуется без диода Шотки, т.к. он работает в активном режиме (эмиттерный повторитель).

В перспективных интегральных микросхемах применяются новые интегральные транзисторы со структурой "Изопланар-П", у которых использована оксидная изоляция между транзисторами, а не привычный p–n переход. Граничная частота у транзисторов с такой структурой достигает 5 ГГц, что в 3 раза выше, чем у транзисторов с планарной структурой.

Выигрыш в быстродействии схем с использованием транзисторов Шотки приводит к некоторому ухудшению статических параметров: понижается пороговое напряжение, повышается значение логического нуля , ухудшается помехоустойчивость. Для повышения помехоустойчивости логических элементов в эмиттерные цепи многоэмиттерного транзистора VТ1 вводят диоды VD1–VD2, включенные в обратном направлении для сигналов логической единицы и нуля. Если напряжения на входах логического элемента меняют свой знак на противоположный, то диоды VD1, VD2 открываются. Сигнал помехи не поступает на вход транзистора VТ1, и не происходит ложное срабатывание схемы.