Основні характеристики цифрових мікросхем
1.1. Поняття елементів, вузлів і пристроїв комп'ютерної схемотехніки
Засоби комп'ютерної техніки та її складові, в залежності від функцій, які вони виконують, поділяються на елементи, функціональні вузли та пристрої, мікропроцесори та комп'ютери (рис. 1). Дані пристрої призначені для обробки дискретної інформації.
Елементи –найменші неподільні мікроелектронні схеми (вироби), призначені для виконання логічних операцій або зберігання біта інформації. До елементів умовно відносяться і допоміжні схеми – підсилювачі, повторювачі, формувачі та інше. Елементи в більшості випадків будуються на основі двопозиційних ключів, що технічно реалізуються найпростіше. Елементи з двома станами називаються двійковими.
На входах і виходах двійкового елемента діють напруги, які набувають в усталеному режимі двох значень – високого Uв та низького Uн рівнів. Ці напруги відображають електричні сигнали. Сигнали з двома усталеними станами називаються двійковими. Перехід елемента з одного стану в інший називається його перемиканням. На основі елементів будують типові функціональні вузли.
Елементарні дії, які виконуються в комп'ютерах за один машинний такт, називаються мікроопераціями. Наприклад інкремент або декремент слова, зсув, інверсія, додавання та інше. У комп'ютерах команди виконуються послідовністю мікрооперацій над двійковими словами (числами). Типовими функціональними вузлами комп'ютерів називаються мікроелектронні схеми, призначені для виконання однієї або декількох мікрооперацій. За логікою роботи функціональні вузли розподіляються на комбінаційні та послідовнісні схеми.
У комбінаційних схемахлогічний стан виходів елементів залежить тільки від вхідних сигналів у даний момент часу. До функціональних вузлів комбінаційного типу відносяться суматори, дешифратори, шифратори, мультіплексори і демультіплексори, схеми порівняння (компаратори) і контролю за парністю, кодоперетворювачі.
У послідовнісних схемах логічне значення виходів визначають як комбінацією вхідних сигналів, так і станом пам'яті схеми в даний момент часу. До функціональних вузлів послідовнісного типу відносяться регістри, лічильники, генератори чисел та керуючі автомати. На основі типових функціональних вузлів створюють різноманітні пристрої комп'ютерів.
В усіх комп'ютерах використовуються генератори тактових імпульсів (ГТІ), що виробляє періодичну послідовність прямокутних імпульсів, які називають тактовими (С). Початок кожного імпульсу С називається тактовим моментом. Часовий інтервал між двома сусідніми імпульсами С називається машинним тактом Тс. На початку кожного імпульсу С відбувається зміна інформації на входах елементів і вузлів комп'ютера.
Частота ГТІ вимірюється десятками та сотнями мегагерц. Такі генератори в літературі часто називають генераторами синхронізуючих імпульсів, а самі імпульси – синхронізуючими або синхроімпульсами. Амплітуда і полярність імпульсу С залежить від фізичних принципів побудови машини. Принцип подачі інформації на входи елементів і вузлів у тактові моменти часу будемо називати дискретизацією сигналів у часі.
У комп'ютерній схемотехніці використовують два основних види двійкового сигналу: потенціальний та імпульсний (рис.3).
Сигнал, який змінюється тільки в тактові моменти часу, називається потенціальним. Сигнал, що наростає в тактовий момент часу, а спадає в границях даного такту, називається імпульсним. Тривалість потенціального сигналу дорівнює або кратна тривалості машинного такту.
У відповідності до значень двійкового сигналу та відповідної змінної Х кодуються символами 0 (логічний 0) і 1 (логічна 1). Напруга, що відображає 1 позначається U1, а напруга, що відображає 0 – U0.
В комп'ютерній схемотехніці використовують два способи кодування логічних сигналів Хі потенціальними сигналами (напругою) – позитивний та негативний. При позитивному кодуванні (позитивна логіка) більший рівень напруги Uв з урахуванням знаку відображає логічну 1, а менший Uн – логічний 0, тобто Х=1 коли U1= Uв та Х=0 при U0= Uн (рис.1, а). При негативному кодуванні (негативна логіка) більший рівень напруги Uв з урахуванням знаку відображає логічний 0, а менший Uн – логічну 1, тобто Х=1, якщо U1= Uн та Х=0 коли U0= Uв (рис.3, б).
Для імпульсних сигналів розрізняють два види кодування (рис.4): перший – наявність імпульсу відображає логічну 1, відсутність – логічний 0; другий – наявність імпульсу однієї полярності відображає логічну 1, а іншої полярності – 0.
Елементи комп'ютерів класифікують за такими ознаками:
фізичні прилади, що використовуються;
вид інформаційних сигналів;
функціональне призначення;
конструкторсько-технологічним виготовленням;
рівнем та ступенем складності.
За типом фізичних приладів розрізняють такі елементи: побудовані па електронних лампах – перше покоління; на транзисторах – друге покоління; на ІМС малого і середнього ступеня інтеграції – третє покоління; на великих і надвеликих ІМС – четверте покоління.
За видом інформаційних сигналів виділяють наступні групи:
потенціальні елементи – використовують тільки потенціальні сигнали;
імпульсні елементи – використовують тільки імпульсні сигнали;
потенціально-імпульсні елементи – використовують потенціальні та імпульсні сигнали.
За функціональним призначенням елементи комп'ютерної схемотехніки поділяються на такі класи:
логічні елементи призначені для виконання логічних операцій – НЕ, І, ЧИ, НЕ І, НЕ ЧИ, НЕ І ЧИ та інше.
елементи пам’яті – тригери, призначені для зберігання значення однієї двійкової змінної – нуля чи одиниці, тобто одного біта інформації;
допоміжні елементи (підсилювачі, формувачі, перетворювачі сигналів, схеми часового узгодження, генератори імпульсів та ін.), призначені для забезпечення роботи елементів перших двох класів.
Елементна база сучасної комп'ютерної схемотехніки складається з інтегральних мікросхем. Це мікроелектронні вироби з високою щільністю розміщення електрорадіоелементів (резистори, діоди, транзистори) та з'єднань між ними. З погляду специфікації, випробування, постачання та експлуатації ІМС розглядаються як єдине ціле.
В ІМС електрорадіоелементи називають елементами, якщо вони невіддільні від схеми, і компонентами, якщо їх можливо використовувати самостійно. В подальшому, щоб уникнути невизначеність з елементами комп'ютерів, електрорадіоелементи називатимемо просто компонентами.
Класифікація мікросхем проводиться за такими ознаками:
технологія виготовлення – напівпровідникові, гібридні, плівкові;
конструкційним оформленням – корпусні та без корпусні;
формою обробки інформації – аналогові, цифрові та аналогово-цифрові;
ступенем інтеграції – малі, середні, великі, надвеликі і ультравеликі;
типом активних елементів – виготовлених на біполярних і МОП-транзисторах;
областю застосування – широкого застосування, спеціалізовані, у тому числі замовні та напівзамовні;
використаними матеріалами – кремнієві, арсенід-галієві;
новими фізичними принципами побудови – кріомікроелектронні, акустоелектронні, оптоелектронні, молекулярної електроніки та інше.
Набір цифрових мікросхем із спільними конструкційно-технологічними і схемотехнічними ознаками утворює серію ІМС. У комп'ютерній схемотехніці широко використовуються цифрові напівпровідникові корпусні ІМС на основі кремнію арсеніду галію. У напівпровідникових ІМС усі компоненти і з'єднання між ними виконані в об’ємі і на поверхні кристалу площею 4-100 мм2. У гібридних мікросхемах навісні компоненти (діоди, транзистори, великі конденсатори, індуктивності, безкорпусні ІМС) кріпляться на поверхні діелектричної підкладки, а провідні з’єднання, резистори невеликі конденсатори та індуктивності виконуються у вигляді плівок на діелектричній підкладці.
Складність мікросхеми характеризується рівнем інтеграції К=lgN та ступенем функціональної складності F= lgL, де N – число компонентів; L – число двовходових логічних елементів (вентилів); значення десяткового логарифму округлюється до більшого цілого числа. Промисловість виготовляє ІМС від першого(< 10 компонент) до шостого (< 1 млн. компонент) та вищого ступеня інтеграції.
Можливості інтегральної технології визначають щільність упакування: відношення числа компонентів до об’єму (іноді до площі) кристалу. Щільність упакування в напівпровідникових ІМС складає 107 комп./см3, а для гібридних – 100-200 комп./см3.
Мала інтегральна схема (МІС) вміщує до 100 компонент включно, середня мікросхема – 100-1000 компонент, великі інтегральні мікросхеми (ВІС) – до 105 компонент, надвеликі інтегральні мікросхеми (НВІС) – до 1 млн. компонент, а ультравеликі (ультра-ВІС) – до 10 млн. компонент та більше. На МІС створюють елементи, на СІС реалізують типові вузли, на ВІС, НВІС та ультра-ВІС розробляють структуру мікропроцесорів та мікрокомп’ютерів.
Кожна елементарна логічна функція реалізується відповідно логічними елементами: ЧИ (диз'юнктор), І (кон'юнктор), НЕ (інвертор). Для реалізації складних функцій логічні елементи об’єднують у логічну схему. Функціонально повна система логічних елементів дозволяє побудувати будь-яку складну логічну схему. Такі системи утворюються такими наборами логічних елементів: 1) ЧИ, НЕ; 2) І, НЕ; 3) НЕ ЧИ; 4) НЕ І та інше. У технічно повній системі елементів забезпечується значення електричних параметрів двійкових сигналів, для цього використовуються допоміжні елементи – підсилювачі, повторювачі, формувачі та інше.
З врахуванням викладеного вище можливо сказати, що система елементів являє собою функціонально і технічно повний набір елементів, який використовує однакові способи представлення інформації, а також спільні конструкттивно-технологічні характеристики.
1.2. Характеристики логічних елементів
Логічні, схемотехнічні та експлуатаційні властивості логічних елементів визначаються сукупністю характеристик і параметрів, до яких відносяться:
функції логічних елементів;
логічні угоди;
коефіцієнти об’єднання за входом та виходом;
коефіцієнт розгалудження;
швидкодія;
потужність споживання;
робота перемикання;
вхідні і вихідні напруги та струми;
статична та динамічна стійкість до завад;
надійність елементів;
допустимі значення механічної дії, діапазони атмосферного тиску і температури навколишнього середовища, стійкість до радіаційних впливів.
У більшості випадків зазначені характеристики і параметри відносяться до ІМС, на яких реалізовані логічні елементи.
Коефіцієнт об’єднання за входом Nі характеризує число логічних входів логічного елемента – зазвичай 1, 2, 3, 4 або 8 (рис. 5).
Коефіцієнт об’єднання за виходом Nо характеризує допустиму кількість з’єднаних між собою виходів логічних елементів з метою утворення нових функцій.
Коефіцієнт розгалудження за виходом Nр характеризує навантажуваль-ну спроможність логічного елемента, тобто максимальне число входів ідентичних схем, яке може бути одночасно залучене до виходу даного елемента без порушень його працездатності (рис.6). До складу серій ІМС як правило входять елементи з малою навантажувальною здатністю (Nр=3÷15) та з великою (Nр=30÷50).
Прийнято такі визначення і буквені позначення електричних параметрів цифрових мікросхем (ДСТУ 2883-94):
вхідні UІ та вихідні UО рівні напруг (індекси – від англійських слів Input і Output);
вхідні напруги низького UІL і високого UІH рівнів; для них встановлюється максимальне значення низького рівня UІL max та мінімальне значення високого рівня UІH min (рис.7, а);
вихідні напруги низького UОL і високого UОH рівнів; для них встановлюється максимальне значення низького рівня UОL max та мінімальне значення високого рівня UОH min (рис.7, б);
вихідний II і вихідний IО струми;
вхідний струм IIL – при низькому рівні напруги на вході, IIH – при високому;
UСС – значення напруги джерела живлення;
IСС – струм, що споживається ІМС від джерела живлення;
PСС – потужність, споживана ІМС від джерела живлення;
вхідні граничні напруги, при яких відбувається перемикання елемента: UTIH – найменше значення для високого рівня і UTIL – найбільше значення низького рівня.
Основні параметри логічних елементів визначаються за допомогою вхідної, вихідної і передавальної характеристики. Типові графіки цих характеристик інверсних елементів транзисторно-транзисторної логіки зображено на рис. 8.
Вхідна характеристика логічного елемента II=f(UI) – це залежність вхідного струму від зміни вхідної напруги. Струми, що входять у схему елемента, вважають додатними, а ті, що виходять – від’ємними (рис. 8, а). За цією характеристикою визначають вхідні струми IIL для напруги UIL max і струм IIH для напруги UIH min. Вихідна характеристика логічного елемента UO=f(IO) визначає залежність вихідної напруги від струму навантаження для станів високого і низького рівнів (рис. 8, б). З наведеної характеристики визначають допустимі значення струмів: +IOL – при низькому рівні вихідної напруги UOL max i -IOH – при високому рівні UOH min (рис. 8, б).
Передавальна характеристика UO=f(UI) – це залежність вихідної напруги від вхідної (рис. 8, в). З цієї характеристики визначають значення завадостійкості для низького рівня на вході ML (перешкода, що відкриває) і високого рівня на вході MH (перешкода, що закриває):
ML=UTIL-UIL max; MH= UIH min -UTIH.
Середня споживана потужність елементом від джерела живлення розраховується за формулою
де IССL, IССH – струми споживання при низькому і високому рівнях напруги на виході відповідно; - середній струм споживання. Сучасні елементи споживають потужності від мікроват до десятків міліват.
Потенціальні сигнали характеризуються значенням логічного перепаду (амплітудою) UМ=UL- UH і тривалістю позитивного tWH та негативного tWL перепадів (рис. 9). Перепади напруг часто називають позитивними та негативними імпульсами.
Для вимірювання часових параметрів сигналу встановлюють умовні рівні в частках від амплітуди – 0.1; 0.5; 0.9.
Швидкодію мікросхем визначають за значеннями таких часових параметрів:
фронту tLH і tHL (рис. 10, а);
власне вмикання tТHL і вимикання tТLH (рис. 10, б), та їх затримки відповідно tDHL і tDLH;
затримка поширення сигналу при вмиканні tРHL і вимикання tРLH (рис. 10, в).
Для практичних розрахунків використовують середній час затримки поширення сигналу
tP=(tPHL+tPLH)/2.
Для оцінки якості сигналу широко використовують узагальнений параметр – роботу перемикання
An=P*CC·tP.
Якщо потужність P*CC вимірюється в міліватах, а час затримки – в наносекундах, то робота перемикання виражається в пікоджоулях (пДж). Значення узагальненого параметра An знаходиться в межах 0,1÷200 пДж. Чим менше An, тим кращі характеристики має логічний елемент.
Надійність ІМС характеризується трьома взаємозалежними показниками:
інтенсивністю відмов λ=n/(mt) де n – число відмов за час випробування, год; m – загальна кількість мікросхем на випробуванні;
напрацювання на відмову T=1/ λ;
ймовірністю безвідмовної роботи протягом заданого інтервалу часу Р=exp(-λ·t).
Для сучасних ІМС інтенсивність відмов λ=(10-7÷10-8). Прийнявши, що λ=10-8, t=15000, отримаємо значення ймовірності безвідмовної роботи P(t)=0,998 або 99,8%.
За конструктивно-технологічним виконанням мікросхеми поділяються на п’ять груп, яким присвоєно такі позначення (ДСТУ 3212-95):
напівпровідникові на біполярних транзисторах – 1,6;
напівпровідникові на польових транзисторах – 5,7;
гібридні – 2,4;
інші (плівкові, вакуумні, керамічні та інше);
резерв – 0,8,9.
Зазначені групи мікросхем за конструктивно-технологічним виконанням поділяються на підгрупи, яким надаються такі позначення:
для першої групи: комбіновані структури з біполярними та польовими транзисторами -0; структура на біполярних транзисторах з ізоляцією p-n-переходом чи діелектриком – 1,2; на транзисторах з інжекційною інтегрованою логікою – 3; резерв - 4÷9;
для другої групи: структура на польових транзистора n- або p- типу – відповідно 5,6; із симетричною комплементарною структурою – 7; структури із зарядовим зв’язком – 8; резерв - 1÷4,9;
для третьої групи (гібридні мікросхеми): товстоплівкові -1; тонко плівкові – 2; комбіновані – 3; резерв - 4÷9;
для четвертої групи: товстоплівкові – 4; тонко плівкові – 2; комбіновані – 3; резерв - 4÷9.
За функціональним призначенням мікросхеми поділяються на групи, яким надаються такі позначення:
генератори – Г;
комутатори та ключі – К;
логічні елементи – Л;
багатофункціональні схеми – Х;
набори елементів – Н;
перетворювачі сигналів – П;
схеми джерел вторинного електроживлення – Е;
схеми затримки – Б;
схеми порівняння – С;
тригери – Т;
підсилювачі - У;
формувачі – А;
схеми запам’ятовуючих пристроїв – Р;
схеми цифрових пристроїв – И;
схеми обчислювальних засобів – В.
У кожній функціональній групі розрізняються види, наприклад:
логічних елементів: ЛИ – елемент І; ЛН – елемент НЕ; ЛЛ – елемент ЧИ; ЛА – елемент НЕ І; ЛЕ – елемент НЕ ЧИ; ЛР – елемент НЕ І ЧИ; ЛД – розширювачі; ЛП – інші;
тригерів: ТВ – універсальні (тип JK); ТР – з роздільним записом (тип RS); ТМ – із затримкою (тип D); ТК – комбіновані; ТП – інші;
схеми обчислювальних засобів: ВЕ – мікро-ЕОМ; ВМ – мікропроцесори; ВС – мікропроцесорні секції; ВУ – схеми мікро програмного керування; ВБ – схеми синхронізації; ВВ – схеми інтерфейсу; ВН – часозадаючі схеми; ВП – інші.
Для характеристики матеріалу і типу корпусу за ГОСТ 174-67 перед цифровими позначеннями серії додаються такі букви:
Р – для пластмасового корпусу типу 2;
М – для керамічного та металокерамічного корпусу типу 2;
Е – для метало полімерного корпусу типу 2;
С – для скло керамічного корпусу типу 2 та інше.
Для деяких мікросхем буквені позначення типу корпусу не застосовують.
Присвоєння позначень мікросхемам здійснює у централізованому порядку головна організація із стандартизації виробів електронної техніки.
Позначення мікросхем має складатися з таких елементів:
перший і другий елементи – дві цифри, які характеризують відповідно групу і підгрупу мікросхеми за конструктивно-технологічним виконанням;
третій елемент – дві цифри, що позначають порядковий номер розробки серії мікросхеми;
четвертий елемент – дві букви, що характеризують відповідно групу та вид мікросхеми;
п’ятий елемент – дві цифри, що позначають порядковий номер розробки мікросхеми.
Три перших елементи визначають серію мікросхеми. У разі необхідності після позначення порядкового номера розробки мікросхеми за функціональним призначенням додатково проставляються букви від А до Я, що характеризують відмінність мікросхем одного типу за електричними параметрами, Така буква під час маркування може бути замінена кольоровою міткою. Буква чи колір маркування зазначають у технічних умовах до мікросхем конкретних типів.
Приклад умовного позначення мікросхеми:
5704ВГ03 – напівпровідниковий програмований контролер керування динамічною пам’яттю з симетричною комплементарною структурою серії 5704; номер розробки серії – 04; номер розробки мікросхеми у даній серії за функціональним призначенням – 03 (рис. 11);
1101УД06 – напівпровідникова мікросхема серії 1101, порядковий номер розробки серії – 01, структура на біполярних транзисторах з ізоляцією p-n переходом, операційний підсилювач постійного струму, порядковий номер розробки мікросхеми в даній серії за функціональним призначенням – 06.
Перед умовним позначенням мікросхеми наводиться скорочена назва держави-розробника – У (Україна). Для мікросхем із кроком 1,27 або 2,54 мм між виводами корпусу, які поставляються на експорт, на початку умовного позначення після літери У проставляється літера Е, наприклад:
УЕ1217УД06 – мікросхеми серії 1217, вироблені в Україні в експортному виконанні (крок виводів 1,27) в пластмасовому корпусі типу 2.
2. Елементи комп’ютерної схемотехніки
2.1. Діодні, транзисторні, інтегрально-інжекційні та діодно-транзисторні логічні елементи
У комп’ютерній схемотехніці в основному використовують потенціальну систему елементів. Вона має такі особливості:
на входах та виходах логічних елементів діють тільки потенціальні сигнали;
з виходу одного елемента на вхід іншого передаються як перехідні, так і усталені значення сигналів;
на шляху потенціального сигналу недозволено вмикати конденсатори, обмотки трансформаторів, оскільки тривалість потенціального сигналу взагалі не обмежена (такий вид електричного зв’язку називають гальванічним або безпосереднім);
відсутність конденсаторів і трансформаторів у колах зв’язку сприяє спрощенню технології виготовлення мікросхем;
реалізується обмежений набір булевих функцій: НЕ, ЧИ, І, НЕ ЧИ, НЕ І, НЕ І-ЧИ, що полегшує застосування автоматизованих методів проектування.
Потенціальні елементи розрізняють за схемотехнічною ознакою – способом з’єднання транзисторів, діодів і резисторів між собою в межах однієї схеми типового базового елемента. Прийнято вважати, що сукупність елементів із загальною ознакою побудови утворюють вид схемної логіки або просто логіку.
Розрізняють такі види логіки потенціальних елементів:
діодна (ДЛ) і діодно-транзисторна логіка (ДТЛ);
транзисторна логіка (ТЛ), у якій виділяють схеми з безпосереднім зв’язком (ТЛБЗ), з резистор ним зв’язком (ТЛРЗ) і резисторно-конденсаторними зв’язками (ТЛРКЗ);
інтегрально-інжекційна логіка (ІІЛ або І2Л);
транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ) та її модифікації з діодом Шотки (ТТЛ);
емітерно-зв'язана логіка (ЕЗЛ);
МОН-транзисторна логіка (p-МОН, n-МОН, КМОН);
логіка на основі арсеніду галію (AsGa).
2.1.1. Діодні логічні елементи
Діодні логічні елементи є історично першими і найпростішими схемами, що реалізують булеві функції ЧИ, І, І-ЧИ, ЧИ-І. Діодні елементи не підсилюють вхідний сигнал і не виконують операцію НЕ.
При розгляді роботи логічних елементів приймають (якщо не оговорено окремо) позитивне кодування: високий рівень напруги UН відображає лог. 1, а низький рівень UL – лог. 0.
Елемент ЧИТаблиця 2.1
Логіка роботи логічного елемента ЧИ на два входи Х1 і
Х2 подана в таблиці 2.1 на основі якої отримано вираз для вхідної мулевої функції елемента .
Використовуючи принцип суперпозиції, функцію F можна записати для довільної кількості вхідних змінних
.
Схема двоходового елемента ЧИ, та умовне графічне зображення і часові характеристики зображено на рис. 2.1.
Високий рівень напруги UОН на виході діодного елемента ЧИ встановлюється при подачі на один або обидва входи високих рівнів напруги UІН, при яких відкриваються відповідні кремнієві діоди VD1 чи VD2, або обидва разом. Через резистор навантаження RН проходить вихідний струм ІОН, який визначається за формулою
ІОН=UОН/RН
Значення вихідного високого рівня UОН залежить від вхідних напруг:
UОН= UІН- U*,
де U*=0,8 В – пряме падіння напруги на кремнієвому діоді.
Для UІН=5 В, RН=1 кОм отримаємо
UОН= UІН- U*=5-0,8=4,2 В;
ІОН=UОН/RН=4,2/103=4,2 мА.
Під час подачі одночасно на обидва входи низьких рівнів напруги UIL≤0,4 В, діоди закриті, струм у колі навантаження не протікає і вихідна напруга UОL майже дорівнює нулю.
На виході елемента звичайно існує паразитна ємність СП=25±100 пФ, в наслідок чого тривалість фронту tLH дуже мала (ємність швидко заряджається від джерела вхідних сигналів через малий прямий опір відкритого діода), а три-валість спаду tНL велика (діоди закриті і ємність розряджається через резистор RН). Тому для діод них схем ЧИ виконується нерівність tLH<< tНL (рис. 2.1. в).
Елемент І
Роботи логічного елемента І на два входи Х1 та Х2 подана в табл. 2.2, на основі якої отримано вираз для вихідної булевої функції елемента F=X1X2.
Таблиця 2.2 Використовуючи принцип суперпозиції функцію F можливо записати для довільної кількості вхідних змінних:
F=X1X2…Xn.
Схема двоходового елемента І, його умовне позначення і часові діаграми роботи, показано на рис. 2.2.
Високий рівень напруги UOH на виході діодного елемента І встановлюється тільки при одночасній подачі на обидва входи високих рівнів напруги UІH, при яких закриваються кремнієві діоди VD1 і VD2. При цьому від джерела живлення UСС через резистори R і RН протікає струм навантаження
ІОН= UСС/( R+RН),
що визначає значення високого рівня вихідної напруги
UOH= ІОН RН= UСС RН/( R+RН).
Як правило, використовують резистор R=1…2 кОм та RH>R. Тривалість фронту вихідного сигналу tLH визначається часом заряду паразитної ємності Сп через великий опір резистора R. Якщо на один із входів, наприклад Х1, подано низький рівень напруги UІL тоді діод VD1 відкривається. При цьому від джерела живлення UСС у колі резистора R, відкритий діод VD1 та джерело вхідного сигналу Х1 протікає струм, значення якого розраховуємо за формулою
IIL=[ UСС-(U*+UIL)]/R,
і на виході встановлюється низький рівень напруги
UOL=UCC-IILR=UIL+U*,
де U*=0,8 В – пряме падіння напруги на відкритому діоді VD1. Джерела вхідних сигналів формують так, щоб вони пропускали струм ІIL, який в них протікає.
Тривалість спаду вхідного сигналу визначається часом розряду паразитної ємності СП через малий прямий опір відкритого діода. Тому в діод них схемах І тривалість фронту вихідного сигналу значно більша за тривалість спаду tLH>>tHL.
2.1.2. Елемент НЕ
Логіка роботи логічного елемента НЕ (інвертора) наведена в табл. 2.3, на основі якої отримано вираз для вихідної булевої функції F= .
Схема елемента НЕ, умовне графічне зображення і часові Таблиця 2.3
X | F |
діаграми показані на рис. 2.3. Схема елемента НЕ включає: VT1 – кремнієвий транзистор n-p-n типу, резистори в колі колекторного навантаження RК і бази RБ; UСС – джерело живлення. Таку схему часто називають транзисторним ключем.
Транзистор VT1 може знаходитись в трьох основних режимах: відсічки колекторного струму (закритий стан), насичення ( відкритий стан) і активної роботи ( підсилення). У режимі відсічки колекторний і базовий переходи закриті ( на вхід подано низький рівень напруги UIL), у колі колектора протікає дуже малий струм колекторного переходу ІК0≤1 мкА і на колекторі транзистора встановлюється високий рівень напруги, що визначається за формулою
UOH=UCC- IK0RK≈UCC
У режимі насичення (на вхід подано високий рівень напруги UOH) на переході база-емітер кремнієвого транзистора пряме падіння напруги дорівнює UБ0=U*=0,8 В, через колектор протікає максимально можливий струм, який називається струмом насичення колектора ІКН. Значення цього струму знаходять
із співвідношення
IKH=(UCC-UKH)/RK,
де UKH= UОL≤0,4 В – напруга на колекторі повністю відкритого транзистора. Наприклад, для типових значень UCC=5 В, RK=1 кОм отримаємо струм ІКН≈5 мА. Для отримання даного струму потрібно мінімальний базовий струм насичення ІБН, значення якого обчислюють за співвідношенням
ІБН=ІКН/β,
де β – коефіцієнт передачі базового струму в транзисторі, увімкненому за схемою із спільним емітером. Для забезпечення надійного насичення транзистора значення базового струму насичення розраховують за співвідношенням
IБІ=SІБН,
де S=3…10 – ступінь насичення. Наприклад, якщо β=50, то ІБН=0,1 мА і прямий струм бази, що вмикає транзистор, IБІ=0,5 мА для S=5.
Значення опору резистора RБ отримуємо з умови забезпечення необхідного значення вмикаючого струму ІБІ:
RБ=(UIH-U*)/IБІ.
Для UIH=5 В, U*=0,8 В отримаємо RБ=8,4 кОм.
У режимі насичення в базі транзистора накопичується надлишковий заряд, значення якого пропорційне ступеню насичення. При подачі низького рівня вхідного сигналу транзистор закривається. Проте колекторний струм залишається постійним в інтервалі часу t2-t1, який називається часом розсмоктування tроз надлишкового заряду в базі (рис. 2.3, в). Після закінчення розсмоктування струм спадає і формується фронт вихідного сигналу tLH. Таким чином, наявність насичення викликає затримку вимикання інвертора, що є недоліком даної схеми.
Зменшення тривалості перехідних процесів забезпечується схемою елемента НЕ (рис. 2.4, а), у якій замість резистора RБ включено два послідовно увімкнені діоди VD1 і VD2.
Діоди VD1 і VD2 називаються зміщувальними, оскільки вони зміщують граничний рівень вхідної напруги на значення 2U*. Ємність СБ називається прискорюючою (форсуючою), оскільки вона при вмиканні швидко заряджається, збільшуючи при цьому прямий струм бази >ІБ1, а при вимиканні швидко розряджається, створюючи зворотній, вимикаючий струм ІБ2. Цей струм прискорює розсмоктування надлишкового заряду в базі транзистора.