Базовые логические элементы

НА БИПОЛЯРНЫХ СТРУКТУРАХ

В зависимости от компонентов, которые используются при построении ЛЭ, и способа соединения компонентов в пределах одного ЛЭ различают следующие типы ЛЭ, или типы логик:

диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

инжекционно-интегральная логика (И²Л, ИИЛ);

логические элементы на МДП-транзисторах (КМДП).

Имеются и иные типы ЛЭ. Одни из них морально уста­рели и в настоящее время не применяются, другие нахо­дятся в стадии разработки.

Логические элементы ДТЛ.Логические элементы диодно-транзисторной логики представляют собой сочетание диодных логических ячеек с транзистор­ным инвертором. На рис. 10.11 приведена схема базового ункционального элемента ДТЛ, выполняющего опера­цию И — НЕ.

Рис. 10.11. Схема ЛЭ ЗИ — НЕ с простым инвертором (ДТЛ)

Если хотя бы на один из входов х₁, х₂ или х₃ посту­пает напряжение низкого уровня , принятое за 0, то подключенный к этому входу диод VD1, VD2 или VD3 от­крыт. Напряжение в точке а оказывается равным сумме напряжений на открытом диоде U_д.оти на входе , т. е.

Практически это напряжение составляет 1...1,2 В. При отсутствии диодов VD4 и VD5 данное напряжение прикладывается к базе транзистора VT и переводит его в открытое состояние. Включение между точкой а и ба­зой транзистора диодов VD4 и VD5,называемых смещаю­щими диодами, уменьшает напряжение базы на 2U_д.см, где U_д.см ≈ (0,7...0,9) В — падение напряжения на диоде.

Поэтому результирующее напряжение базы при нулевом
входном сигнале

оказывается отрицательным и транзистор VT закрыт. На выходе ЛЭ устанавливается высокий положительный потенциал, соответствующий логической единице.

Если на все входы поступают напряжения высокого уровня, соответствующие логической единице, то диоды VD1 — VD3 закрыты. Весь ток, протекающий от источника Е_п через резистор R1, поступает через смещающие диоды VD4 и VD5 в базу транзистора. Сопротивление резистора R1 выбрано таким, что транзистор открывается, пере­ходит в режим насыщения и на его коллекторе (выходе ЛЭ) устанавливается низкий потенциал, соответствую­щий логическому нулю.

Таким образом, в данном ЛЭ реализуется логическая операция И — НЕ на три входа. Для увеличения быстро­действия рассмотренный ЛЭ может быть дополнен диодом VD6, который существенно уменьшает степень насыщения транзистора.

В некоторых схемах И — НЕ ДТЛ источник Е_см от­сутствует, а резистор R2 нижним (по схеме) выводом подключается к эмиттеру транзистора. В этом случае при поступлении хотя бы на один вход напряжения низкого уровня напряжение на его базе имеет не отрицательное, а небольшое положительное значение. Поэтому транзи­стор находится не в режиме отсечки, а в активном режиме при малом токе базы и коллектора.

Недостатком рассмотренного ЛЭ является большое выходное сопротивление в закрытом состоянии транзи­стора и как следствие этого — малая нагрузочная спо­собность. Для повышения нагрузочной способности вместо простого, инвертора применяют сложный.

Сложный инвертор (рис. 10.12) состоит из парафазного каскада, выполненного на транзисторе VT1, и двух­тактного выходного каскада на транзисторах VT2 и VT3. Если на входы х₁ и х₂ поступают напряжения высокого уровня (логические единицы), то диоды VD1 и VD2 за­крыты. Под действием тока базы, протекающего от источ­ника питания через элементы R1 и VD3, транзистор VT1 открывается. На резисторе R4 ток эмиттера VT1 создает положительное напряжение, которое поступает на базу транзистора VT3. Транзистор VT3 открывается и перехо­дит в режим насыщения. На выходе ЛЭ формируется напряжение низкого уров­ня (логический нуль).

Рис. 10.12. Схема ЛЭ 2И - НЕ со сложным инвертором (ДТЛ-2) и

возможностью расширения числа входов

Вы­ходное сопротивление ЛЭ, определяемое внутренним сопротивлением насыщенного транзистора VT3, мало.

При поступлении хотя бы на один из входов х₁ и х₂ напряжения низкого уровня потенциал точки а мал. Ток базы транзистора VT1 также мал, и транзистор работает в режиме, близком к режиму отсечки. Примерно в таком же режиме находится и транзистор VT3,так как на его базу подается малое положительное напряжение с R4.

Напряжение высокого уровня с коллектора VT1посту­пает на базу транзистора VT2,и он открывается. Ток, протекающий через R5, VT2, VD4 и нагрузку, подклю­ченную к выходу ЛЭ, формирует на ней напряжение вы­сокого уровня, соответствующее логической единице.

Диод VD4 повышает помехоустойчивость ЛЭ. Напря­жение, создаваемое на VD4током эмиттера транзистора VT2,находящегося в «призакрытом» состоянии, повышает потенциал эмиттера транзистора VT2,и для его отпира­ния на базу требуется подавать напряжение более высо­кого уровня. Таким образом, слабая помеха состояние ЛЭ не изменяет.

Вход К служит для расширения входов схемы И. К нему можно подключить дополнительную цепочку диодов.

Элементы ДТЛ, выпускаемые промышленностью, используются для комплектации серийной РЭА. В новых разработках они не применяются.

Логические элементы ТТЛ.Транзисторно-тран­зисторными называются такие логические элементы, во входной цепи которых используется многоэмиттерный транзистор (МЭТ). По принципу построения и работе схемы ТТЛ близки к схемам ДТЛ. Эмиттерные переходы МЭТ выполняют функцию входных диодов, а коллектор­ный переход — роль смещающего диода. Элементы ТТЛ компактнее, чем элементы ДТЛ, что повышает степень интеграции микросхем ТТЛ. Интегральные схемы на основе ТТЛ по сравнению с микросхемами ДТЛ имеют более высокие быстродействие, помехозащищенность и надеж­ность, большую нагрузочную способность и меньшую потребляемую мощность.

На рис. 10.13, а показана схема ЗИ — НЕ ЛЭ ТТЛ с простым инвертором. Если на все входы МЭТ поданы напряжения , соответствующие уровню 1, то все эмиттерные переходы МЭТ VT1 смещены в обратном направ­лении, а коллекторный — в прямом. Коллекторный ток МЭТ протекает через базу транзистора VT2, который открывается и переходит в режим насыщения. На выходе ЛЭ устанавливается напряжение низкого уровня .

Если хотя бы на один вход МЭТ подано напряжение ,соответствующее уровню 0, то соответствующий эмиттерный переход МЭТ смещается в прямом направле­нии. Эмиттерный ток этого перехода протекает через резистор R1,вследствие чего коллекторный ток МЭТ уменьшается и транзистор VT2 закрывается. На выходе ЛЭ устанавливается напряжение высокого уровня .

Для повышения быстродействия ЛЭ в него вводят не­линейную обратную связь, осуществляемую с помощью диода Шоттки (диод VD на рис. 10.13, а).

Рис. 10.13. Схемы логических И — НЕ ТТЛ с простым (а) и сложным (б) инверторами

Диод Шоттки VD с транзистором VT2 в интегральном исполнении со­ставляет единую структуру, которую иногда называют транзистором Шоттки.

На рис. 10.13, б показана схема логического элемента 2И — НЕ ТТЛ со сложным инвертором. Работа такого инвертора была рассмотрена раньше.

Особенностью сложного инвертора является инерци­онность процесса переключения транзисторов VT2, VT3 и VT4. Поэтому быстродействие сложного инвертора хуже, чем простого. Для повышения быстродействия сложного инвертора в него вводят дополнительный транзистор, который подключается параллельно эмиттерному пере­ходу VT4.

В настоящее время выпускается несколько разновид­ностей серий микросхем с элементами ТТЛ: стандартные (серии 133; K155), высокого быстродействия (серии 130; К131), микромощные (серия 134), с диодами Шоттки (серии 530; К531) и микромощная с диодами Шоттки (серия К555). Они имеют большой процент выхода, низ­кую стоимость, обладают широким функциональным набором и удобны для практического использования.

Логические элементы ЭСЛ.Элементную базу эмиттерно-связанной логики составляют устройства на пере­ключателях тока.

Простейшая схема переключателя тока показана на рис. 10.14, а.

Рис, 10.14. Упрощенная схема переключателя тока (а) и графики напряжений (6),

поясняющие его работу

Суммарный ток транзисторов VT1 и VT2 задается генератором тока I, включенным в цепь эмиттеров транзисторов. Если на вход (базу VT1) поступает напря­жение низкого уровня (логический 0), то транзистор VT1 закрыт и весь ток I протекает через транзистор VT2,на базу которого подается опорное напряжение U_оп,пре­вышающее нижний уровень напряжения базы VT1.

На коллекторе закрытого транзистора VT1 образуется напряжение высокого уровня (логическая 1), а на кол­лекторе открытого транзистора VT2 — напряжение низко­го уровня (логический 0), как показано на рис. 10.14, б. Если u_вх = , то транзистор VT1 откроется. Так как │U_оп│ < │U⁰_вх│, то транзистор VT2 окажется закрытым и весь ток I будет протекать через транзистор VT1. На коллекторе VT1 образуется напряжение низкого уровня, а на коллекторе VT2 — высокого.

Параметры генератора тока таковы, что транзисторы VT1 и VT2 не переходят в режим насыщения. Этим до­стигается высокое быстродействие элементов ЭСЛ.

Принципиальная схема базового логического элемента ЭСЛ показана на рис. 10.15. Этот ЛЭ одновременно выполняет две логические операции: ИЛИ — НЕ по вы­ходу 1 и ИЛИ по выходу 2.

Рис. 10.15. Схема базового логического элемента ЭСЛ

На транзисторах VT1, VT2 и VT3 выполнен токовый переключатель, обеспечивающий получение логических функций ИЛИ — НЕ (на колллекторе VT2) и ИЛИ (на коллекторе VT3).В качестве генератора тока исполь­зуется высокоомный резистор R5,включенный в объеди­ненную эмиттерную цепь транзисторов VT1, VT2 и VT3. Источник опорного напряжения выполнен на транзисторе VT4 и диодах VD1 и VD2. Опорное напряжение, уровень которого находится примерно посередине между уровнями, соответствующими 0 и 1, подается на базу транзистора VT3, поэтому транзистор VT3 будет закрыт, если хотя бы на один из входов подано напряжение более высокого уровня (логическая 1) и открыт, если на всех входах име­ется напряжение низкого уровня (логический 0). Логи­ческая информация с коллекторов VT2 и VT3 поступает на базы выходных эмиттерных повторителей, выполнен­ных на транзисторах VT5 и VT6. Эмиттерные повторители служат для увеличения нагрузочной способности ЛЭ и смещения уровней выходных напряжений для совмести­мости ЛЭ данной серии по входу и выходу.

Представителями ЛЭ ЭСЛ являются интегральные микросхемы 500-й серии.

Достоинством ЛЭ ЭСЛ является хорошо отлаженная технология их производства, обеспечивающая достаточно высокий процент выхода годных микросхем и их сравни­тельно низкую стоимость. Элементы ЭСЛ имеют более высокое быстродействие по сравнению с ЛЭ ТТЛ. Благо­даря этому они получили широкое распространение в быстродействующей и высокопроизводительной вычисли­тельной технике. Дифференциальные каскады ЛЭ ЭСЛ обеспечивают высокую помехоустойчивость, стабильность динамических параметров при изменении температуры и напряжения источников питания, постоянное, не зависящее от частоты переключения потребление тока.

Недостатком ЛЭ ЭСЛ является высокая потребляемая мощность.

Логические элементы И²Л. ЛЭ И²Л выполняются в виде цепочки транзисторов с инжекционным питанием (рис. 10.16, а).Отличительной особенностью таких транзисторов по сравнению с БТ является наличие

Рис. 10.16. Структура (а) и принципиальные схемы (б, п) инверторов с инжскцпонным питанием

дополни­тельного электрода — инжектора И, образованного обла­стью р₁.В этой структуре можно выделить два транзи­стора: горизонтальный токозадающий (р₁— n₁— n₁) и вертикальный переключающий (n₂ — p₂— n₁), соединенные так, как показано на рис. 10.16, б. Роль электронного ключа S обычно выполняет структура БТ, включенного с ОЭ и работающего в ключевом режиме.

Смещение инжекторного перехода в прямом направ­лении достигается подачей на инжектор р-типа положи­тельного напряжения, равного 1...1.5 В. С помощью элект­ронного ключа 5 база транзистора VT2 может подклю­чаться к эмиттеру этого транзистора или к генератору тока (коллектору T1). Если ключ разомкнут (при этом входное напряжение имеет высокий уровень), то почти весь ток генератора поступает в базу транзистора VT2. Транзистор открыт и насыщен, и его выходное напряжение составляет единицы или десятки милливольт (при условии, что к коллектору подключена нагрузка). При замкнутом ключе S почти весь ток генератора тока течет через ключ и лишь незначительная его часть поступает в базу транзистора VT2.Транзистор находится в актив­ном режиме вблизи области отсечки. Напряжение кол­лектора транзистора в этом режиме соответствует высо­кому уровню — примерно 0,8 В.

Таким образом, транзистор с инжекционным питанием можно рассматривать как инвертор или ЛЭ, выполняю­щий операцию НЕ.

Рассмотрим работу цепочки инверторов на транзисто­рах с инжекционным питанием (рис. 10.16, в).

При поступлении на вход напряжения высокого уровня, соответствующего логической 1 (ключ S разомкнут), ток I₁ генератора тока поступает в базу транзистора VT1 и переводит его в режим насыщения. Ввиду малого выход­ного сопротивления насыщенного транзистора VT1 ток I₂второго генератора тока протекает через транзистор VT1 и лишь незначительная его часть — через базу тран­зистора VT2. Транзистор VT2 закрыт, его выходное сопро­тивление будет велико, и ток I₃ третьего генератора тока поступит в базу транзистора VT3, переводя его в режим насыщения. На выходе транзистора VT3 установится на­пряжение низкого уровня, соответствующее логическо­му 0.

На рис. 10.17 показана схема ЛЭ ИЛИ — НЕ на два входа. При поступлении логических нулей на оба входа транзисторы VT1 и VT2 закрыты и на выходе образуется логическая 1. Если хотя бы на один из входов поступает логическая 1, то соответствующий транзистор открыт и насыщен и на выходе, являющемся объединением всех коллекторов, устанавливается логический 0.

Рис. 10.17. Упрощенная схема ЛЭ 2ИЛИ — НЕ инжекционной логики

Достоинствами ЛЭ И²Л являются высокая степень интеграции, большое быстродействие, способность рабо­тать при очень малых токах (единицы наноампер) и малых значениях питающих напряжений.