Комп’ютерна електроніка (стр. 12 из 14)
5.5 Схемотехніка логічних елементів
В цифровій електроніці, як для логічної, так і для арифметичної обробки сигналів використовують три базові функції: І, АБО, НЕ.
| x1 | x2 | y |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
| x1 | x2 | y |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
На фізичному рівні ці функції реалізуються з допомогою аналогічних логічних елементів: кон’юнкції та диз’юнкції АБО та інверсії НЕ. Логіка роботи кон’юнктора полягає в наступному: сигнал на виході логічного елемента приймає значення логічної одиниці тоді і тільки тоді, коли на всіх його виходах присутні сигнали високого логічного рівня. Для диз’юнктора, тобто схеми АБО, логіку роботи можна сформулювати наступним чином: сигнал на виході диз’юнктора прийме значення логічної одиниці, якщо хоч на одному його вході буде присутній сигнал високого рівня. Логіка роботи інвертора – сигнал на виході завжди приймає значення інверсне (протилежне) до вхідного сигналу. Стани логічних елементів описуються таблчками істинності.
| x | y |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
На фізичному рівні найпростіше реалізувати інвертор. Таку функцію виконує транзисторний ключ реалізований за схемою з загальним емітером. При високому вхідному сигналі опір транзистора є набагато меншим за опір колекторного навантаження і тому потенціал колектора наближається до нуля, що відповідає і логічному нулю. Коли транзистор закритий, тобто 0 на вході, тоді його опір значно більший за Rк і потенціал колектора наближається до напруги живлення, що відповідає логічній одиниці на виході. Для реалізації кон’юнктора можна використати два транзисторні ключі, ввімкнені за схемою з загальним колектором, зкомутовані послідовно один за одним.
Для реалізації логічного диз’юнктора ключові елементи мають бути ввімкнені паралельно один з одним, тоді вмикання хоча б одного з них приведе до протікання струму через навантаження і появи сигналу високого рівня на виході.
Більш універсальними є комбіновані елементи, функції І-НЕ (штрих Шеффера) та АБО-НЕ (стрілка Пірса).
В найпростішому випадку – це послідовно ввімкнені два базових елементи.
5.5.1 Основні характеристики логічних елементів і їх класифікація
Логічні елементи класифікуються за кількома ознаками. В першу чергу розглядають схемотехнічне виконання базових елементів. При цьому в основу класифікації покладено подвійну назву, що вказує на тип вхідного і вихідного каскадів. Елементарний транзисторний ключ став основою перших елементів, які об’єднано було в клас транзисторної логіки з безпосередніми зв’язками (БЗТЛ).
Для покращення завадостійкості такого ключа у вхідних колах було ввімкнено резистор. Така схема стала називатись резистивно-транзисторною логікою. Щоб покращити частотні характеристики, тобто зменшити тривалість фронту та спад імпульсу, паралельно до Rб включається конденсатор. Такі схеми називаються резистивно-ємнісна транзисторна логіка (РЄТЛ). Однак вони не набули широкого вжитку через низьку технологічність. Першими серійними елементами стали ключі з вхідними діодними структурами (ДТЛ).
Найбільшим досягненням стала розробка багатоемітерних транзисторів, що дозволило створити елементи транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ).
У швидкодіючих елементах ТТЛШ (транзисторно-транзисторної логіки з діодами Шоткі) всі транзисторні ключі реалізовані із зворотними зв’язками на діодах Шоткі. Це дозволило значно підвищити швидкодію схем і є зараз основою надвеликих інтегральних схем, які в свою чергу є базою всієї комп'ютерної електроніки.
Окрім цього використовуються елементи емітерно-зв’язної логіки (ЕЗЛ) (на основі диференційних каскадів струмових ключів), n-, p- МОН логіка (на польових транзисторах) та комплементарна КМДМ – логіка (КМОН).
Завдяки пошуку оптимальних рішень для зменшення енергоспоживання логічних елементів розроблено структури так званої інтегрально-інжекційної логіки (
).Основні параметри і характеристики
До характеристик відносять: вхідну, вихідну та передаточну характеристики логічних елементів, відповідно залежності: Iвх=f(Uвх) Iвих=f(Uвих) Uвих=f(Uвх)
Параметри:
1. Коефіцієнт розгалуження з виходом – кількість елементів, які можна підключити до виходу даного логічного елемента. Для підвищення навантажувальної здатності (збільшення цього параметру N) вихідні каскади елементів виконують у вигляді схем емітерних повторювачів або потужних підсилювачів.
2. Коефіцієнт об’єднання за входом (М) - визначає скільки виходів можна підключити до входу логічного елементу.
3. Статична завадостійкість показує величину напруги зовнішньої статичної завади, при якій логічний елемент забезпечує правильне працювання.
4. Споживана потужність – це середнє значення потужності, що споживається схемою в перебування схеми в режимі статичного нуля і статичної одиниці.
За цим параметром логічні елементи поділяють на: потужні (Рсп=25 – 250 мВт); середньої потужності (Рсп=3 – 25 мВт); низької потужності (Рсп=0,3 – 3 мВт); малопотужні (Рсп=1 – 300 мкВт); нановатні (Рсп<1 мкВт).5. Швидкодія – час перемикання стану з логічного нуля в логічну одиницю і навпаки.
За даним параметром розрізняють інтегральні схеми: низької швидкодії (tс>100 нс); середньої швидкодії (tс=10 – 100 нс); швидкодіючі (tс=2,5 – 10 нс); надшвидкодіючі (t<2,5 нс).5.5.2 Базові логічні елементи транзисторно-транзисторної логіки
В ТТЛ елементах можна виділити 3 каскади: вхідний каскад на основі багатоемітерного транзистора, транзисторний ключ (як правило з стабілізованим джерелом струму) і вхідний каскад. У вихідному каскаді для стабілізації нульових значень вхідних значень напруги (логічний 0) використовуються додаткові опорні діоди VД1, VДn.
Цим обумовлюється рівень напруги нуля ≈ 0,4 В (для кремнієвих інтегральних схем), або не більше 0,8 В. Живлення основного ключа на VT2 забезпечується джерелом стабільного струму на транзисторі VT3. Одночасно цей ключ є фазоінвертуючим каскадом для вихідного підсилювача потужності на транзисторах VT4, VT5.
Для покращення характеристик ТТЛ схем розроблено кілька схемотехнічних варіантів їх виконання:
1. ТТЛ елементи з відкритим колектором, призначені для узгодження вихідних каскадів з зовнішнім навантаженням. В цьому випадку вихідний ключ виконується за схемою з від’єднаним колектором, що дозволяє визначити тип і рівень навантаження схеми з допомогою додаткових навісних елементів (серія К133).
2. Каскади з підвищувальною навантажувальною здатністю (серія К531).
В цьому випадку вихідні ключі виконують у вигляді складених транзисторних каскадів з підвищувальною навантажувальною здатністю.
3. ТТЛ схеми із z-станом (з високоімпедансним станом) призначені для роботи в цифрових схемах, що комутують інформаційні сигнали на спільну шину. В цьому випадку у вхідних колах передбачають додатковий вхід багатоемітерного транзистора, при подачі на який керуючого сигналу, виходи логічного елемента переходять у стан високого опору, тобто відключаються від загальної шини. Для формування керуючого сигналу передбачено додатковий вхід z і кілька транзисторів керування.
5.5.3 Базові логічні елементи емітерно – зв’язної логіки (ЕЗЛ)
ЕЗЛ є надшвидкодіючою, оскільки конструктивне виконання диференційних струмових ключів передбачає роботу транзисторів в ненасиченому режимі. Це забезпечує джерела опорної напруги із зменшенням значення напруги логічних рівнів, хоч в цьому випадку комутуючі напруги мають від’ємну полярність, однак логічна 1 відповідає більшому значенню потенціалу.
ТТЛ:
лог. 0 – 0,4, не більше 0,8 В.
лог. 1 – 2,4, не менше 2 В.
ЕЗЛ:
лог 0 – (-0,8 – 0,9В)
лог 1 – (-1,6 – (-1,7)В)
КМОН:
лог 0 ~ 0 (0,2 – 0,3 В)
лог 1 ~ 15 В, 9В, 5В
:лог 0 – 0,6 – 0,8В