Комп’ютерна електроніка (стр. 13 из 14)

лог 1 – 1,2 – 1,3В

До інтегральних схем ЕЗЛ логіки відносяться мікросхеми серій К500, К1500. Базові елементи ЕЗЛ логіки передбачають можливість виконання одночасно функцій АБО та АБО НЕ, що зумовлено застосуванням струмових ключів у вхідному каскаді. При цьому допускається ввімкнення за паралельною схемою кількох виходів схеми одночасно, що є недопустимим в елементах ТТЛ і КМОН логіки. В найпростіших випадках це є запаралелення вихідних каскадів на спільне навантаження.

Для підвищення швидкодії ЕЗЛ каскадів використовується 2 методи:

1) Побудова двоярусних токових ключів, що забезпечують розгалуження виходів схеми.

2) Застосування додаткових вхідних кіл відносно нейтрального проводу, коли вхідний сигнал подається на схему відносно нуля.

Застосування на виході схем емітерних повторювачів зменшує вихідний опір логічних елементів, що підвищує загальну завадостійкість схеми.

5.5.4 Базові логічні елементи МДН логіки

Для реалізації логічних функцій в базисі МДН логіки застосовують структурні елементи на n- або p- канальних польових транзисторах. Функціонально вони практично не відрізняються, оскільки керуючі потенціали подаються через діалектрик на вхід ключа, змінюється тільки полярність керуючої напруги, оскільки в основному застосовуються транзистори з індуктивним каналом. Як і біполярних схемах для реалізації функцій І застосовується послідовне ввімкнення ключем, а функція АБО реалізується при паралельному їх ввімкненні.

Недоліком МДН структур є залежність струму насичення ключів від напруги живлення вихідного кола, при цьому, щоб одержати зменшення вихідного струму в режимі насичення необхідно збільшувати напругу стоку, що приводить до втрат на перемиканні ключа, тому більш оптимальними є ключі на комплементарних парах транзисторів, при цьому вхідні і вихідні кола реалізують з допомогою обмежуючих діодів. Вхідні та вихідні кола на основі діодів забезпечують надійну комутацію ключів за рівнем напруги і обмежують напругу на вході ключа в діапазоні (-0,7) – (0,7) В відносно напруги живлення каскаду. Базові логічні елементи КМОН типу створюють на парних ключах, тобто для кожного входу використовується окрема комплементарна пара транзисторів, при цьому, якщо в елементах І-НЕ вхідними ключами є транзистори n- типу провідності, а навантажувальними – p- типу, то в схемах з виключенням інверсії ці ключі просто міняються місцями. З МДН логікою виконано інтегральні схеми серії К561, К176, К564 (планарна). Завадостійкість таких елементів складає до 40% напруги живлення.

5.6 Інтегрально-інжекційна логіка

Схеми інтегрально-інжекційної логіки характеризуються наступними особливостями:

1. В них відсутні резистивні елементи.

2. В них суміщені області кристалу, які відносяться до різних ключових (транзисторних) елементів схеми.

3. Живлення цих каскадів реалізовано за струмовим принципом, що дозволяє зменшити рівні сигналів і споживану потужність.

Транзистор VT2 виконує функції інвертування сигналу, VT1 є інжектором носіїв заряду в базу VT2, при цьому VT1 виконаний за горизонтальною технологією, VT2 – за вертикальною, що забезпечує підвищений коефіцієнт інжекції VT2, а відповідно і більший коефіцієнт струму.

Принцип дії такої логіки наступний. Нехай вхідний сигнал x0 на базі VT2 – відсутній, це відповідає стану логічної одиниці на вході, тоді струм інжектора, тобто колекторний струм VT1 забезпечує насичення бази VT2, що приводить до виходу на насичення колекторного струму VT2, а відповідно до появи на виході VT2 сигналу логічного нуля. Для інтегрально-інжекційної логіки стану логічного нуля відповідає напруга U0=0.1 – 0.2 V; стану логічної одиниці – U1=0.6 – 0.7 V. Таким чином перепад логічних рівнів складає порядка 0,4 – 0,6 V. За рахунок зменшення розмірів активних областей в кристалі підвищується швидкодія схеми, при струмі 0,1 мА, час затримки не перевищує 10 нс. Однак через низьку завадостійкість, такі елементи використовуються виключно в складі великих і надвеликих інтегральних схем, тобто в складі мікропроцесорів.

6.Функціональні вузли цифрової електроніки

В якості функціональних вузлів цифрової електроніки використовують пристрої формування прямокутних імпульсів, генератори тактових сигналів, перетворювачі рівнів сигналів на основі базових логічних елементів.

6.1 Автогенератори на базових логічних елементах

Автогенеруючими властивостями володіють схеми, охоплені додатнім зворотнім зв’язком за змінною складовою сигналу, в найпростішому випадку, в якості базових структур можна використовувати ТТЛ інвертори, в яких інвертування вихідного сигналу одного каскаду через конденсатор замикається на вхід іншого елемента.

В таких схемах сигнали на виходах є інверсними один відносно одного. В зображеній схемі реалізуються умови балансу фаз і балансу амплітуд в широкому діапазоні частот. Якщо уявити, що в ідеальному випадку на конденсаторах немає зсуву фаз складає

, то загальний зсув сигналу при проходженні двох каскадів буде , тобто виконується умова балансу фаз. Оскільки ідеальний інвертор працює в ключовому режимі, то його коефіцієнт підсилення >>1. Це підтверджує умову балансу амплітуд. Автогенераторний режим забезпечується зворотнім зв’язком. Нехай на одному виході в певний момент часу напруга приймає максимальне значення, тобто логічну 1, на іншому –логічний 0. Тоді за рахунок заряду конденсатора, що з’єднаний з високим потенціалом виходу через резистор, протікатиме струм зарядки. Це приводить до зміни потенціалу на вході іншого каскаду і до інвертування вихідної напруги на обидвох каскадах. Тривалість перехідного процесу визначається постійною часу RC-кіл, тобто t=RC. Якщо параметри RC- кіл підібрати симетричними, то шпаруватість імпульсів складатиме q = 2. При реалізації автогенераторної схеми на елементах КМОН логіки потрібно врахувати, що вхідний струм такої схеми, тобто КМОН елемента → 0, оскільки вхідний опір практично безмежний, тоді для забезпечення протікання струмів перезарядки конденсаторів навантажувальні резистори на вході логічного елемента шунтують додатковими діод ними ключами, які забезпечують протікання струмів переполяризації конденсаторів і їх роботу в біполярному режимі. Різновидністю схеми автогенератора є каскад з однією часозадаючою RC-ланкою.

ДД – цифрова інтегральна мікросхема;

ДА – аналогова мікросхема

Пояснити роботу такої схеми найлегше, використовуючи КМОН логіку. Оскільки вхідний опір КМОН елементів →

, то при нульовому значенні напруги на вході першого і виході другого логічного елемента, струм, що протікає від виходу першого елемента, буде заряджати конденсатор. При досягненні порогової напруги на конденсаторі, на вході першого елемента досягається рівень потенціалу, що забезпечує його перекомутацію, тобто на вході першого і виході другого елемента реалізується стан логічної одиниці, а в точці з’єднання логічних елементів – стан логічного нуля. Таким чином конденсатор, який зарядився за перший півперіод виявляється перекомутованим, зліва він буде підключений до точки низького потенціалу, справа – до точки з високим потенціалом. Це забезпечує його розряд і пере поляризацію протягом наступного півперіоду. Далі релаксаційний процес продовжується.

Генератори з часозадаючим конденсатором

В таких схемах в якості часозадаючих елементів використовують конденсатор і ТТЛ інвертор, при цьому, конденсатор працює в уніполярному режимі, тобто напруга на його обкладках не міняє знаку, а тільки змінюється від мінімального до максимального значення.

В якості баластного (газозадаючого) елементу тут використовується вхідний опір ТТЛ інвертора. В схемах з підвищеною швидкодією застосовують схеми генерування, в яких часозадаючими елементами виступають перехідні ємності та опори самих логічних елементів. Тоді тривалість сигналів визначається тільки сумарною тривалістю фронту і спаду імпульсу самих ключових елементів.

Недоліком таких схем є значний розкид технологічних параметрів елементів, що відповідно приводить до нестабільності генерованих коливань. В комп’ютерній техніці, для забезпечення надійної роботи цифрових схем, частоту синхронізації потрібно підтримувати з точністю до 1/1000. Для забезпечення такої точності в аналогових схемах застосовують спеціальні схеми термостабілізації і захисту від зовнішніх завад. В цифрових схемах найпростіше реалізувати задану стабільність частоти з допомогою кварцових резонаторів у колах зворотного зв’язку.