Рис. 16.10.

Принципиальное отличие КМОП-схем от nМОП-технологии заключается в отсутствии в схеме активных сопротивлений. К каждому входу схемы подключена пара транзисторов с различным типом канала. Транзисторы с каналом p-типа подключены подложкой к источнику питания, поэтому образование канала в них будет происходить при достаточной большой разности потенциалов между подложкой и затвором, причем потенциал на затворе должен быть отрицательным относительно подложки. Такое состояние обеспечивается подачей на затвор потенциала земли (т.е. логического 0 ). Транзисторы с каналом n-типа подключены подложкой к земле, поэтому образование канала в них будет происходить при подаче на затвор потенциала источника питания (т.е. логической 1 ). Одновременная подача на такие пары транзисторов с разным типом каналов логического нуля или логической единицы приводит к тому, что один транзистор пары обязательно будет открыт, а другой закрыт. Таким образом, создаются условия к подключению выхода либо к источнику п итания, либо к земле.

Так, в простейшем случае, для схемы инвертора (рис. 16.10) при А=0 транзистора VT1 будет открыт, а VT2 закрыт. Следовательно, выход схемы F будет подключен через канал VT1 к источнику питания, что соответствует состоянию логической единицы: F=1 . При А=1 транзистор VT1 будет закрыт (на затворе и подложке одинаковые потенциалы), а VT2 открыт. Следовательно, выход схемы F будет подключен через канал транзистора VT2 к земле. Это соответствует состоянию логического нуля: F=0 .

Логическое сложение (рис. 16.11) осуществляется за счет последовательного соединения p-каналов транзисторов VT1 и VT2. При подаче хотя бы одной единицы единого канала у данных транзисторов не образуется. В то же время благодаря параллельному соединению VT3 и VT4 осуществляется открытие соответствующего транзистора в нижней части схемы, обеспечивающее подключение выхода F к земле. Получается F=0 при подаче хотя бы одной логической 1 – это правило ИЛИ-НЕ.


Рис. 16.11.

Функция И-НЕ осуществляется за счет параллельного соединения VT1 и VT2 в верхней части схемы и последовательного соединения VT3 и VT4 в нижней части (рис. 16.12). При подаче хотя бы на один вход нуля единый канал на VT3 и VT4 не образуется, выход будет отключен от земли. В то же время хотя бы один транзистор в верхней части схемы (на затвор которого подан логический ноль) будет обеспечивать подключение выхода F к источнику питания: F=1 при подаче хотя одного нуля – правило И-НЕ.


Рис. 16.12.

Краткие итоги

В зависимости от элементной базы, различают различные технологии производства ИМС. Основными являются ТТЛ на биполярных транзисторах и nМОП и КМОП на полевых транзисторах .

Ключевые термины

nМОП-технология полевых транзисторов с индуцированным каналом n-типа.

Буфер на 3 состояния – выходная часть схемы ТТЛ, обеспечивающая возможность перехода в третье, высокоимпедансное состояние.

КМОП-технология - технология производства ИМС на базе полевых транзисторов с каналами обоих типов электропроводности.

Открытый коллектор – вариант реализации буферной части элементов ТТЛ без резистора в цепи нагрузки, который выносится за пределы схемы.

Схемы с активной нагрузкой – схемы ТТЛ, в которых состояние буферной цепи определяется состоянием не одного, а двух транзисторов.

Транзисторно-транзисторная логика – технология производства ИМС на базе биполярных транзисторов.

Принятые сокращения

КМОП – комплементарный, металл, оксид, полупроводник

Набор для практики

Упражнения к лекции 16

Упражнение 1

Вариант 1 к упражнению 1 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ по nМОП-технологии.

Вариант 2 к упражнению 1 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ по nМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 1 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ-НЕ по nМОП-технологии.

Упражнение 2

Вариант 1 к упражнению 2 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ по КМОП-технологии.

Вариант 2 к упражнению 2 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ по КМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 2 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ-НЕ по КМОП-технологии.

Упражнение 3

Вариант 1 к упражнению 3 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ по ТТЛ-технологии.

Вариант 2 к упражнению 3 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ по ТТЛ-технологии.

Вариант 3 к упражнению 3 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ-НЕ по ТТЛ-технологии.

Упражнение 4

Вариант 1 к упражнению 4 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ по nМОП-технологии.

Вариант 2 к упражнению 4 .Нарисовать схему 3-входового элемента И по nМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 4 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ по nМОП-технологии.

Упражнение 5

Вариант 1 к упражнению 5 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ по КМОП-технологии.

Вариант 2 к упражнению 5 .Нарисовать схему 3-входового элемента И по КМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 5 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ по КМОП-технологии.

Упражнение 6

Вариант 1 к упражнению 6 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ по ТТЛ-технологии.

Вариант 2 к упражнению 6 .Нарисовать схему 3-входового элемента И по ТТЛ-технологии.

Вариант 3 к упражнению 6 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ по ТТЛ-технологии.

Упражнение 7

Вариант 1 к упражнению 7 .Нарисовать схему элемента 2И-ИЛИ-НЕ по ТТЛ-технологии.

Вариант 2 к упражнению 7 .Нарисовать схему элемента 2И-ИЛИ-НЕ по КМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 7 .Нарисовать схему элемента 2И-ИЛИ-НЕ по nМОП-технологии.

Упражнение 8

Вариант 1 к упражнению 8 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ с буфером на 3 состояния.

Вариант 2 к упражнению 8 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ с открытым коллектором.

Вариант 3 к упражнению 8 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ с буфером на 3 состояния.

Для проектирования цифровых ИС кроме биполярных п-р-п- и p-n-p-транзисторов используются также униполярные полевые и -канальные транзисторы (рис. 5.17,а), которые называются МОП-транзисторами (МOS-transistors; MOS - Metal-Oxide-Semiconductor - металл-окисел-полупроводник). В общем случае полевой транзистор имеет четыре электрода: исток S (Source), сток D (Drain), затвор G (Gate) и подложка SS (Substrate). Вывод затвора в изображении полевых транзисторов смещается ближе к истоковому выводу. Изображение канала с обогащением штриховой линией символизирует отсутствие проводимости между стоком и истоком при нулевом напряжении затвор-исток. На рис. 5.17,а символами "+" и "-" обозначены полярности напряжений на электродах для нормального режима работы полевого транзистора. Подложка обычно подключается к истоку или к одному из полюсов источника питания.

На рис. 5.17,6 показана схема включения пары комплементарных транзисторов (транзисторов с разными типами каналов), представляющая собой электронный ключ - инвертор (ЛЭ НЕ). Особенностью данного ключа является отсутствие тока через транзисторы в статическом состоянии, так как при любом значении входного сигнала один из последовательно включенных транзисторов закрыт. Ключ потребляет ток только при его переключении на интервале времени, в течение которого изменяется входной сигнал. На этом интервале оба транзистора

открыты, так как входной сигнал имеет значения приводит к значениям разностей напряжений между затворами и истоками и -канальных транзисторов, значительно отличающимися от нулевых. Наибольший ток протекает при

Полевые транзисторы позволяют построить не только цифровые, но и аналоговые ключи для коммутации двуполярных аналоговых сигналов, что невозможно сделать на биполярных транзисторах. На рис. 5.17,в показан основной элемент такого аналогового ключа (вместо потенциала земли для коммутации Двуполярных сигналов следует подать отрицательное напряжение При значениях оба транзистора закрыты (сопротивление закрытого ключа составляет ротни ключ разомкнут, а при открывается один из транзисторов в зависимости от полярности коммутируемого входного напряжения В этом Случае сопротивление между полюсами ключа проставляет от единиц до сотен Ом в зависимости от типа (сопротивленйе открытого ключа). Чем меньше зависимость величины напряжения коммутируемого сигнала, тем выше линейность ключа. При проектировании аналоговых ключей принимают меры по улучшению их линейности. Вход и выход аналогового ключа неразличимы - входом будет тот полюс ключа, на который подан коммутируемый сигнал.

Разработаны три основные технологии изготовления ИС на полевых транзисторах:

МОП технология (n-MOS technology),

МОП технология p-MOS technology),

КМОП технология CMOS technology; CMOS - Complementary MOS).

Все эти технологии постоянно совершенствуются с целью увеличения быстродействия и степени интеграции элементов на кристалле. К настоящему времени разработано несколько десятков этих технологий.

Схемотехника КМОП ИС. Первые КМОП ИС серии были разработаны фирмой в 1968 г. , затем была выпущена серия вытесненная впоследствии ( серией с улучшенными характеристиками. Данные серии ИС выпускают многие зарубежные фирмы, например, серии Серии серии серий и др. Общим

недостатком ИС всех этих серий является их низкое быстродействие (время задержки сигналов достигает сотен не) и малые значения выходных токов.

В 1981 г. фирмами Motorola и National Semiconductor были разработаны ИС серий близкие по физическим параметрам к сериям В частности, быстродействие этих КМОП и ТТЛ серий одинаково (среднее время задержки вентиля не). Еще большее быстродействие было достигнуто в КМОП сериях разработанных в 1985 г. фирмой Texas Instruments Inc. (). Положительные свойства как ТТЛ ИС, так и КМОП ИС были реализованы фирмой в ИС серии ВСТ (1987 г.), изготовляемых по BiCMOS-технологии технология с размещением биполярных и КМОП транзисторов на одном кристалле с уровнями входных и выходных сигналов ИС, совместимых с ТТЛ-уровнями) .

В табл. 5.9 приведено соответствие отечественных и зарубежных серий КМОП ИС. Напряжение питания у КМОП ИС можно изменять в широких пределах - чем выше напряжение питания, тем больше быстродействие ИС. По выполняемым функциям и (или) нумерации выводов ИС серий 4000 в большинстве своем отличаются от ТТЛ ИС аналогичного функционального назначения. Функциональный ряд ИС серий включает в себя часть ИС как ТТЛ серий 54/74, так и КМОП серий с одинаковыми номерами во всех этих сериях имеют одинаковое функциональное назначение и нумерацию выводов).

На рис. 5.18, а показаны цепи диодной защиты входов и выходов ЛЭ от электростатического напряжения у ИС серии а на рис. 5.18,6 - у ИС серии Такую защиту входов и выходов имеют все цифровые ИС, кроме преобразователей уровней напряжений которых используется другой вариант защиты входов (рис. 5.19). При первом варианте защиты входов уровни входных сигналов не должны превышать напряжения питания из-за открывания диода, включенного между входом и полюсом При втором варианте защиты уровни входных сигналов могут в несколько раз превышать значение не выводя ИС из строя (избыточное напряжение гасится на резисторе). В этом случае ИС работает как понижающий преобразователь уровня логической 1. Входная цепь обеспечивает также защиту от отрицательных значений напряжений входных сигналов. В

(см. скан)

дальнейшем цепи защиты входов и выходов, как правило, показываться не будут.

Различие между сериями (рис. 5.19,а) и (рис. 5.19,6) заключается в наличии на выходах ИС последней дополнительных буферов для развязки ИС от внешней среды. Вместо серии в настоящее время выпускается серия с небуферированными выходами, имеющая аналогичные электрические параметры (UB - Unbuffered, В - Buffered). Наличие в серии CD40005 дополнительных выходных буферов приводит к увеличению задержек сигналов в ЛЭ, но улучшает переключательные характеристики. Сравнительная характеристика этих серий приведена в табл. 5.10.

Таблица 5.10. (см. скан) Параметры ИС серий CD4000B и CD4000UB

Реализация аналогового ключа показана на рис. 5.20. При значении сигнала ОЕ = 1 (ОЕ - Output Enable) ключ открыт, а при закрыт. В закрытом состоянии ключ характеризуется большим выходным импедансом и принято говорить, что выход находится в Z-cостоянии. Вместо

потенциала земли можно подать отрицательное напряжение но при этом должно выполняться условие

Схема двухвходового представлена на рис. 5.21. Выходной каскад на двух комплементарных транзисторах является буферным каскадом, так как он изолирует все внутренние связи от выхода ЛЭ. Различие между небуферированной и буферированной сериями наглядно видно из рис. 5.22, где представлены выполняющие одинаковые функции Другое схемотехническое исполнение ЛЭ 2И-НЕ показано на рис. 5.23.

Универсальный набор элементов, состоящий из двух комплементарных пар МОП-транзисторов и инвертора, реализован в (рис. 5.24). Данный набор позволяет пользователю с помощью внешних соединений выводов ИС получать аналоговые коммутаторы и

аналоговый двухканальный коммутатор (рис. 5.25) - соединены выводы 2 и 9; 4 и 11; 3 и 6; 8, 10 и 13; 1, 5 и 12;

три инвертора - соединить выводы 2, 11 и 14; 4, 7 и 9; 8 и 13 (выход НЕ со входом 6); 1 и 5 (выход НЕ со входом 3); 10 - вход выход НЕ;

3ИЛИ-НЕ - соединить выводы 4, 7 и 9; и 11; 5, 8 и 12 (выход ЛЭ со входами 3, 6 и 10);

3И-НЕ - соединить выводы 2, 11 и 14; 4 и 8; 5 и 9; 1, 12 и 13 (выход ЛЭ со входами 3, 6 и 10);

ЛЭ, реализующий функцию соединить выводы 2 и 14; 4, 8 и 9; 1 и 11; 5, 12 и 13 (выход

ЛЭ, реализующий функцию соединить выводы 2 и 14; 7 и 9; 4 и 8; 1, 11 и 13; 5 и 12 (выход ;

инвертор с Z-состоянием выхода, выполняющий функцию

При и Z-состояние выхода при соединить выводы 8, 11 и 13;

По сравнению с ТТЛ ИС следует отметить следующие достоинства КМОП ИС серий 4000 (серий 561 и 1561):

малая мощность потребления в диапазоне частот до (в статическом режиме мощность потребления составляет на вентиль);

большой диапазон напряжения питания можно использовать нестабилизированный источник питания; очень высокое входное сопротивление ( большая нагрузочная способность на частотах до

малая зависимость характеристик от температуры. К недостаткам КМОП ИС серий 4000 (серий 561 и 1561) следует отнести:

повышенное выходное сопротивление (0,5 ... 1 кОм); большое влияние емкости нагрузки и напряжения питания на время задержки, длительность фронтов и потребляемую мощность;

большие времена задержек и длительности фронтов; большой разброс всех параметров.

Графики зависимостей рассеиваемой мощности от частоты для КМОП и ТТЛ ИС пересекаются на некоторой частоте, поскольку у ТТЛ ИС динамическая мощность очень слабо зависит от частоты переключения. На предельно допустимых частотах мощность потребления КМОП ИС оказывается такого же порядка, что и у ТТЛ ИС.

В статическом режиме (без перегрузки) у КМОП ИС уровни выходных сигналов значительно отличаются от уровней У КМОП ИС в отличие от типовых значений Требования к уровням входных сигналов также значительно различаются: у КМОП ИС в отличие от Соответственно различаются пороги переключения: для КМОП BС и 1,2 В для ТТЛ BС. Это вызывает определенные трудности при использовании в одном устройстве ТТЛ и уровень

При Способы согласования уровней будут рассмотрены в § 5.6.

В сериях выпускаются КМОП ИС двух типов: серии не согласованные по входам с ТТЛ ИС, и серии согласованные по входам с ТТЛ ИС (не требующие дополнительного преобразования уровней). Эти серии различаются выполнением входных и выходных цепей ИС, показанных на рис. 5.26,а для ИС серий на рис. 5.26,б - для ИС серий на рис. 5.27 - для ИС серий и на рис. 5.28 - для ИС серий Пороги переключения у ИС серий находятся между , а у ИС серий порог переключения равен при требовании к уровням входных сигналов, задаваемом неравенствами

Помехоустойчивость ИС серий приведена в табл. 5.11, из которой видно, что она значительно выше, чем у ТТЛ серий (см. табл. 5.5). Предельные значения параметров ИС этих серий указаны в табл. 5.12, а рекомендуемые условия эксплуатации

(см. скан)

В табл. 5.13 .

Интегральные схемы КМОП серий, имеющие одинаковые номера (у зарубежных ИС) или одинаковые буквенно-цифровые обозначения (у отечественных ИС раздельно по группам серий 176/561/564/1561 и 1564/1554), выполняют одинаковые функции и совпадают по разводке внешних выводов. В дальнейшем на рисунках для ИС КМОП серий будет указываться название ИС только одной конкретной серии, хотя аналогичные ИС могут быть и в других сериях.

Рис. 5.29 (см. скан)

На рис. 5.29 представлены ЛЭ И-НЕ, И, НЕ, ИЛИ-НЕ и сумма по модулю два, выпускаемые отечественной промышленностью. На графических обозначениях указаны номера аналогов зарубежных ИС. Логические элементы серии 176 приведены на рис. 5.30. Применение было рассмотрено выше при описании ее зарубежного аналога комплементарные пары транзисторов, G - затвор, стоки р-канального и n-канального транзисторов, SP и SN - истоки

(кликните для просмотра скана)

p-канального и n-канального транзисторов). Зарубежные ЛЭ, не имеющие в настоящее время отечественных аналогов, показаны на рис. 5.31 и 5.32.

Рис. 5.32 (см. скан)

Параметры ИС КМОП серии приведены в табл. , а в табл. П2.3 - параметры ИС серий 4000 , которые в первую очередь следует учитывать при проектировании цифровых и микропроцессорных устройств. Параметры отечественных ИС серий 176, 561 и 1561 можно найти в справочниках , а ИС серии 1554 - в . Полезный справочный материал по ИС КМОП серий имеется в .

Интегральные схемы серий 54.АС11000/74.АС11000.

Для уменьшения уровня помех у быстродействующих КМОП ИС, возникающих при переключении ЛЭ, предпочтительнее использовать центральное расположение выводов питания на

кристалле, причем выходы ИС следует располагать на той стороне, где находится общий вывод питания (GND). Фирма выпустила серии где число И указывает на центральное расположение выводов питания ИС, а числа порядковый номер ИС, как и в остальных сериях На рис. 5.33 приведены ЛЭ этих серий.

Интегральные схемы серий SN54BCT/SN74BCT.

Как указывалось выше, ИС данных серий изготовляются по BiMOS технологии. Входные цепи ИС выполняются по схеме, приведенной на рис. 5.34,а, что делает входы этих ИС совместимыми с ТТЛ-уровнями входных сигналов.

В микропроцессорных системах в большом количестве используются шинные драйверы и приемопередатчики, причем в каждый момент времени в активном состоянии находится приемопередатчик или драйвер только одного внешнего устройства, а остальные - в Z-состоянии. Драйверы и приемопередатчики, выполняемые по ТТЛ технологиям, в Z-состоянии выходов потребляют ток того же порядка, что и в активном состоянии выходов, хотя не выполняют большую часть времени полезной работы.

Основная цель разработки BiMOS ИС и заключалась в резком снижении потребляемого тока в Z-состоянии выходов ИС, предназначенных для проектирования внешних устройств микропроцессорных систем. На рис. показана схема -состоянием выхода, выполненного по BiMOS технологии входная цепь, показанная на рис. 5.34,а).

Неиспользуемые входы ИС.

При проектировании цифровых устройств на ИС могут использоваться не все их входы. Исходя из логики работы разрабатываемого устройства, на эти входы следует подать либо логический уровень 0, либо уровень 1. Логический уровень 0 как в ТТЛ, так и в КМОП ИС подается подключением неиспользуемого входа к корпусу Логический уровень 1 подается на неиспользуемые входы подключением их к источнику напряжения питания (ТТЛ ИС) или (КМОП ИС), однако входы ТТЛ ИС серий 54/74, , в которых используются многоэмиттерные транзисторы, рекомендуется подключать к источнику питания через токоограничивающий резистор для защиты от скачков напряжения, возникающих, например, при включении питания.

Логические уровни КМОП микросхем при пятивольтовом питании показаны на рис.9.

Границы уровней логического нуля и единицы для КМОП микросхем при пятивольтовом питании приведена на рис. 10.

Рис. 10. Уровни логических сигналов на входе цифровых КМОП микросхем.

Из рисунка 10 видно, что запас по уровням срабатывания для обеспечения помехоустойчивости у КМОП более 1,1 В. Это почти втрое больше чем у ТТЛ.

При уменьшении напряжения питания границы логического нуля и логической единицы смещаются пропорционально изменению напряжения питания.

Семейства кмоп микросхем

Первые КМОП микросхемы не имели защитных диодов на входе, поэтому их монтаж представлял значительные трудности. Это семейство микросхем серии К172. Следующее улучшенное семейство микросхем серии К176 получило эти защитные диоды. Оно достаточно распространено и в настоящее время. Серия К1561 (иностранный аналог этих микросхем - C4000В.) завершает развитие первого поколения КМОП микросхем. В этом семействе было достигнуто быстродействие на уровне 90нс и диапазон изменения напряжения питания 3..15В.

Дальнейшим развитием КМОП микросхем стала серия SN74HC. Эти микросхемы отечественного аналога не имеют. Они обладают быстродействием 27нс и могут работать в диапазоне напряжений 2..6В. Они совпадают по цоколёвке и функциональному ряду с ТТЛ микросхемами, но не совместимы с ними по логическим уровням, поэтому одновременно были разработаны микросхемы серии SN74HCT (отечественный аналог - К1564), совместимые с ТТЛ микросхемами и по логическим уровням.

В это время наметился переход на трёхвольтовое питание. Для него были разработаны микросхемы SN74ALVC с временем задержки сигнала 5,5нс и диапазоном питания 1,65..3,6В. Эти же микросхемы способны работать и при 2,5 вольтовом питании. Время задержки сигнала при этом увеличивается до 9нс.

Наиболее перспективным семейством КМОП микросхем считается семейство SN74AUC с временем задержки сигнала 1,9нс и диапазоном питания 0,8..2,7В.

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики Общие сведения об эсл имс

Интегральные микросхемы на основе эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) получили широкое распространение в качестве элементной базы быстродействующей вычислительной и радиоэлектронной аппаратуры. Микросхемы на основе ЭСЛ имеют ряд достоинств, которые обеспечили их преимущество перед другими микросхемами при построении данного класса аппаратуры:

1. Хорошая схемно-техническая отработанность и, как следствие, сравнительно невысокая стоимость при изготовлении.

    Высокое быстродействие при средней потребляемой мощности или сверхвысокое быстродействие при большой потребляемой мощности.

    Малая энергия переключения.

    Высокая относительная помехоустойчивость.

    Высокая стабильность динамических параметров при изменении рабочей температуры и напряжения питания.

    Большая нагрузочная способность.

    Независимость тока потребления от частоты переключения.

    Способность ИМС работать на низкоомные линии связи и нагрузки.

    Широкий функциональный набор микросхем.

10. Удобство применения в условиях повышенной плотности компоновки с использованием многослойного печатного монтажа и низкоомных коаксиальных и плоских кабелей.

В настоящее время ИС ЭСЛ являются самыми быстродействующими микросхемами на основе кремния, выпускаемыми промышленностью как у нас в стране, так и за рубежом. Опыт проектирования аппаратуры, показывает, что применение ИС ЭСЛ оптимально для построения быстродействующих радиоэлектронных устройств, в частности ЭВМ высокого быстродействия, и менее эффективно при разработке радиоэлектронных устройств малого и среднего быстродействия.

Высокое быстродействие обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в ненасыщенном режиме, в результате чего исключается накопление и рассасывание неосновных носителем заряда.

Структурно базовый элемент ЭСЛ содержит: источник опорного напряжения (ИОН), токовый переключатель (ТП) и эмиттерные повторители.

В основу токового переключателя на входе положена схема с объединенными эмиттерами (рис.11). Главные ее достоинства: постоянство суммарного тока эмиттеров / э = 1 э 1 + I э2 в процессе работы; наличие прямого и инверсного выходов U вых1 , U вых2 .

Рис. 11. Базовый логический элемент ЭСЛ

К современным цифровым микросхемам ЭСЛ относятся ИС серий 100, К100, 500, К500, 1500, KI500.

Типовое время задержки логических элементов ИМС серии К1550 0,7 нс, серии К500 0,5...2 нс; серии 138 2,9 нс. ЭСЛ микросхемы имеют помехоустойчивость по напряжению низкого и высокого уровней не менее 125 мВ и 150 мВ, разброс выходного напряжения низкого уровня 145...150 мВ, высокого уровня 200 мВ. Амплитуда логического сигнала U л до 800 мВ. В ИМС серии 500 уровень интеграции до 80 логических элементов на кристалле; функциональный набор микросхем - 48 модификаций, потребляемая элементом мощность Р пот =8...25мВт (в ненагруженном состоянии), энергия, потребляемая при переключении А = 50 пДж.

Базовый логический элемент ИМС К500 благодаря наличию прямого и инверсного выхода одновременно выполняет две функций: ИЛИ-НЕ и ИЛИ . В отрицательной логике выполняются функции И/И-НЕ. Электрическая схема базового элемента ЭСЛ состоит из трех цепей (рис.12): токового переключателя (ТП), выходных эмиттерных повторителей (ЭП) и источника опорного напряжения (ИОН).

Токовый переключатель построен на транзисторах VT 1- VT 5 и резисторах R 1- R 7 и представляет собой дифференциальный усилитель, работающий в режиме ключа, имеющий несколько входов. Увеличение числа входов ТП достигается параллельным подключением дополнительных входных транзисторов VT 1- VT 4.

Базовый ЛЭ работает следующим образом. При подаче на все входы схемы XI - X 4 напряжения низкого уровня (-1,7 В) входные транзисторы VT 1- VT 4 закрыты, транзистор VT 5 открыт, так как напряжение на его базе U ОП = -1,3 В выше.

Большая потребляемая и рассеиваемая мощности являются недостатками микросхем ЭСЛ, что является следствием их работы в ненасыщенном режиме. Малый логический перепад, с одной стороны, повышает быстродействие, а с другой снижает помехоустойчивость.

Основой КМОП элементов является инвертор, построенный на двух комплементарных (дополняющих) МОП транзисторах (n -МОП и p -МОП) с изолированным затвором и индуцированным каналом. Особенностью такой схемы (рис. 4.17 ) является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором.

На рис. 4.5.2. приведены стоко-затворные характеристики используемых транзисторов. Транзистор с n -каналом (VТ n ) начинает проводить ток, если на его затвор подается положительное напряжение, а транзистор с р -каналом (VТ p) – если на его затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку.

Важно, что оба транзистора имеют «пятку» на своих стоко-затворных характеристиках. Таким образом, если мы хотим, чтобы схема работала при положительном напряжении питания (+E П ), то в качестве ключевого транзистора необходимо использовать VТ n , а в качестве нагрузочного – VТ p .

Рис. 4.17.1. КМОП инвертор

Рис. 4.5.2. Стоко-затворные характеристики КМОП транзисторов

Инвертор (рис. 4.17 ) построен так, что исток VТ p соединен с E n , а исток VТ n – с землей. Затворы VТ n и VТ p объединяются и служат входом инвертора, стоки VТ n и VТ p также объединяются и служат выходом инвертора. При таком включении будут справедливы следующие формулы для определения напряжения затвор-исток VТ n и VТ p: U зип = U вх, U зир = U вх -Е п

U зип – напряжение затвор-исток n -канального транзистора (VТ n );

U зир – напряжение затвор-исток р -канального транзистора (VТ р ).

При рассмотрении работы инвертора будем полагать, что VТ n и VТ p обладают идентичными характеристиками и пороговое напряжение U Пп = ½U Пр ½=1,5В.

U Пп - пороговое напряжение n -канального транзистора;

U Пр - пороговое напряжение p -канального транзистора.

Рассмотрим работу КМОП инвертора по его ХВВ (рис. 4.18-а ), на которой можно выделить четыре участка и зависимости U ЗИ = f (U BX ) (рис. 4.18-б ).

Участок 1: U 0 вх £ U Пп . При этом U зип = U вх и VТ n закрыт, U зир = U вх - Е п < U Пр и VТ p открыт.

Рис. 4.18. Характеристики КМОП инвертора:
а) ХВВ, б) U ЗАТВОР-ИСТОК = f(U ВХ); в) I ПОТР = f(U BX)



VТ n закрыт), VТ p находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к E П (U 1 ВЫХ » E П).

Участок II: U П > U ВХ > U Пп,

где U П - напряжение, при котором происходит переключение схемы

и U ВЫХ = 0,5(U 1 - U 0). U ЗИП = U ВХ > U Пп и VТ n начинает открываться, U ЗИР = U ВХ -Е П < U Пр и VТ p открыт.

На этом участке ½U ЗИП ½< ½U ЗИР ½, поэтому VТ p будет оставаться в насыщении, а VТ n – в активном режиме.

VТ n .

Ток, протекающий в схеме, создает падение напряжения на канале VТ p , за счет этого напряжение на выходе начинает уменьшаться. Однако с ростом входного напряжения на этом участке выходное напряжение снижается мало, так как VТ p все еще находится в насыщении.

Точка U П : U ВХ = U П =0,5Е П;

U ЗИП =U ВХ = U П > U Пп , и VТ n открыт; 0,5Е П < U Пр и VТ p открыт.

В этой точке |U ЗИП |=|U ЗИР | следовательно, равны и сопротивления каналов обоих транзисторов. Таким образом, на выходе будет напряжение, равное половине напряжения источника питания (U ВЫХП =0,5E П). Этой точке соответствует вертикальный участок на характеристике. В этот момент схема потребляет максимальный ток, так как оба транзистора открыты. При малейшем изменении входного напряжения выходное напряжение резко меняется.

Участок III: Е П - ½U Пр ½ > U ВХ > U П ; U ЗИП = U ВХ > U Пп и VТ n открыт; U ЗИР = U ВХ -Е П < U Пр и VТ Р открыт, но с ростом U ВХ становится все менее и менее открытым.

На этом участке U ЗИП > |U ЗИР |, и поэтому VТ n находится в насыщении, a VТ p – в активном режиме.

Ток, потребляемый схемой, определяется в этом случае транзистором VТ p .

Выходное напряжение на этом участке равно падению напряжения на канале VТ n . Так как VТ n находится в насыщении, то это падение невелико, и с ростом U BX оно все более и более уменьшается.

Участок IV: Е п > U вх > Е п - ½U Пр ½; U зип = U вх > U Пп и V n открыт; U зир = U вх -Е п >U зип и VТ p закрыт.

В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как VТ p закрыт). VТ n находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к нулю (U вых » 0).

Как видно из ХВВ (рис 4.5.1а ), КМОП элементы обладают хорошей помехоустойчивостью. Помехоустойчивость по нулю и единице равны. Это объясняется тем, что точка переключения (U вх = U П )лежит точно в центре диапазона изменения входного напряжения (Е П >U вх > 0). При Е П = +5В максимальное значение помехи может достигать 1,5В. С ростом E П абсолютная помехоустойчивость увеличивается. Помехоустойчивость КМОП элементов составляет примерно 30% от Е П (U 0 вх.макс » 0.3Е П , U 1 вх.мин » 0.7Е П ).

Так как на входе КМОП инвертора стоят МОП транзисторы с изолированным затвором, то входное сопротивление очень велико (10 12 ¸10 13 Ом). Поэтому по входу такие схемы практически не потребляют тока.

Выходное сопротивление КМОП схем мало как в состоянии Лог. 0, так и в состоянии Лог. 1, так как один из транзисторов VТ n или VТ p обязательно будет открыт. Таким образом, выходное сопротивление определяется сопротивлением канала открытого МОП транзистора и составляет 10 2 ¸10 3 Ом.

Высокое входное и малое выходное сопротивления обуславливают высокий статический коэффициент разветвления по выходу. Коэффициент разветвления будет ограничиваться сверху только требованиями по быстродействию. Так как каждый вход схемы обладает определенной емкостью, то с ростом коэффициента разветвления будет расти емкость нагрузки, которая, в свою очередь, будет увеличивать время переключения элемента.

Таким образом, с уменьшением рабочей частоты коэффициент разветвления будет увеличиваться. В связи с вышесказанным ясно, что входная и нагрузочная характеристики теряют свой смысл. Нагрузочная характеристика имеет значение только при сопряжении КМОП элементов с элементами других типов.

Малое выходное сопротивление элемента в обоих состояниях позволяет быстро перезаряжать емкость нагрузки. Это обуславливает малые времена задержек при включении и выключении схемы. Практически времена задержек равны 50 ¸ 200 нс.

Рис. 4.5.1в поясняет процесс потребления тока схемой.

В статическом положении КМОП схемы потребляют очень маленький ток (10 -6 -10 -7 А).

В основном ток потребляется при переключении схемы, в то время, когда U ЗИП и ½U ЗИР ½> U ПОР и оба транзистора VТ n и VТ p открыты (участки II и III на ХВВ) Однако величина этого тока меньше, чем у ТТЛ схем, так как объемные сопротивления открытых МОП транзисторов превышают сопротивления открытых биполярных транзисторов. По этой причине в схемах КМОП отсутствует ограничивающий резистор.

При переключении схемы расходуется также ток на заряд емкости нагрузки. Величина этого тока может быть определена как I=CEf П где f П – частота переключения схемы.

К преимуществам КМОП схем можно также отнести возможность работы при различных напряжениях питания (3‑15В). При повышении напряжения питания абсолютная помехоустойчивость будет увеличиваться, однако будет увеличиваться и потребляемый ток (участки II и III на ХВВ станут шире). При напряжении питания + 5В уровни сигналов КМОП схем становятся совместимы с уровнями ТТЛ При этом надо, однако, следить, чтобы U 1 вх.мин для КМОП схем было бы больше E П - |U ПР | длянадежного запирания VТ p . Для этой цели часто выход ТТЛ через резистор подключают к E П .

Работа КМОП схем на схемы ТТЛ осуществляется, как правило, через монтажные схемы.

На рис. 4.19 приведена схема базового элемента типа КМОП. Элемент реализует функцию 4И-НЕ. Транзисторы расположены таким образом, что при любой комбинации входных сигналов в схеме не будет протекания сквозного тока. Аналогичным образом строятся элементы типа ИЛИ-НЕ (рис. 4.20) .

В таких схемах из-за последовательного включения транзисторов в одном из плеч увеличивается выходное сопротивление в одном из состояний. Поэтому такие элементы имеют различные времена включения и выключения. Для элемента И-НЕ время включения больше времени выключения, а для элемента ИЛИ-НЕ – наоборот.

Рис. 4.19. Реализация функции 4И-НЕ на КМОП

Рис. 4.20. Реализация функции 4ИЛИ-НЕ на КМОП

Из-за очень высокого входного сопротивления даже статический заряд способен создать пробивное напряжение. Для защиты от высоковольтных зарядов статического электричества на входах схем КМОП имеется (внутри микросхемы) специальная схема защиты (рис. 4.21) .

Рис. 4.21. КМОП-инвертор со схемой защиты затвора от статического электричества

Диоды VD1, VD2 и VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диоды VD4 и VD7 защищают выход инвертора от пробоя между р и n областями. Диоды VD5 и VD6 включены последовательно между шинами питания для защиты от случайной перемены полярности питания.

Типичными представителями КМОП схем являются элементы серии К564, которые характеризуются следующими параметрами:

Е П =3¸15В; U 0 =0,01В (при Е П =5В и I н =0); U 1 =4,99В (при Е П =5В и I н =0); I 0 вх =0,2мкА; I 1 вх =0,2мкА; I П =0,17мА (при Е П =10В, F =100кГц и С н =50пФ); t з =80нс; I 0 вых =0,9мА (при U 0 вых =0,5В и Е П =10В); I 1 вых =0,9мА (при U 1 вых =Е П -0,5В и Е П =10В); С н = 200пФ; С вх =12пФ.

Специального внимания при подготовке требует индивидуальный эксперимент (УИРС).

Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик.

Элементы транзисторно-транзисторной логики

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный может моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Упрощенная схема ТТЛ-элемента приведена на рис. 3.27. При мысленной замене многоэмиттерного транзистора диодами получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения, то базы транзистора Т 2 будет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т 2 будет высокий уровень напряжения. Если на оба входа подать высокий уровень , то через базу Т 2 транзистора будет протекать большой базовый и на коллекторе транзистора Т 2 будет низкий уровень , т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ:

u вых = u 1 · u 2 . Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 3.28).

Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и Т 2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т 4 , т. е. на выходе будет высокий уровень . Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то Т 2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т 4 и запиранию транзистора Т 3 , т. е. реализуется функция И-НЕ.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).

Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555)

В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29, а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение приведено на рис. 3.29, б .

Такой эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. ТранзисторVT 4 — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения u вх1 и u вх2 имеют высокий уровень, то диодыVD 3 и VD 4 закрыты, транзисторы VT 1 ,VT 5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется низкого уровня, то транзисторы VT 1 и VT 5 закрыты, а транзисторы VT 3 и VT 4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT 3 и VT 4 образуют так называемый составной (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

● питания +5 В;

● выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;

● выходное высокого уровня — не менее 2,5 В;

● помехоустойчивость — не менее 0,3 В;

● среднее время задержки распространения сигнала — 20 нс;

● максимальная рабочая частота — 25 МГц.

Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.

Особенности других логик

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального усилителя.

Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, −4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT 2 подано отрицательное постоянное опорное напряжение U оп. Изменение входного u вх1 приводит к перераспределению постоянного тока i э0 , заданного сопротивлением R э между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие параметры:

● питания −5,2 В;

● потребляемая мощность — 100 мВт;

● коэффициент разветвления по выходу — 15;

● задержка распространения сигнала — 2,9 нс.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.

В качестве примера рассмотрим элемент логики n-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31).

Он состоит из нагрузочного транзистора Т 3 и двух управляющих транзисторов Т 1 и Т 2 . Если оба транзистора Т 1 и Т 2 закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень . Если одно или оба напряжения u 1 и u 2 имеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т 1 и Т 2 и на выходе устанавливается низкий уровень , т. е. реализуется функция u вых = u 1 + u 2.

Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

КМОП — логический элемент

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32).

Если входные напряжения имеют низкие уровни (u 1 и u 2 меньше порогового напряжения n-МОП-транзистора U зи.порог. n), то транзисторы Т 1 и Т 2 закрыты, транзисторы Т 3 и Т 4 открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно или оба входных u 1 и u 2 имеют высокий уровень, превышающий U зи.порог. n , то открывается один или оба транзистора Т 1 и Т 2 , а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т 3 и Т 4 устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов Т 3 и Т 4 , а следовательно, на выходе устанавливается низкое . Таким образом, этот элемент реализует функцию u вых = u 1 +u 2 и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.

Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И 2 Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И 2 Л могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике. Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33, из которого видно, что транзистор T 1 (p-n-p) расположен горизонтально, а многоколлекторный Т 2 (n-p n) расположен вертикально. T 1 выполняет роль инжектора, обеспечивающего поступление дырок из эмиттера транзистора T 1 (при подаче на него положительного через ограничивающий резистор) в базу транзистора Т 2 . Если u 1 соответствует логическому «0», то инжекционный не протекает по базе многоколлекторного транзистора Т 2 и токи в цепях коллекторов транзистора Т 2 не протекают, т. е. на выходах транзистора Т 2 устанавливаются логические «1». При напряжении u 1 соответствующем логической «1», инжекционный протекает по базе транзистора Т 2 и на выходах транзистора Т 2 — логические нули.

Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ-НЕ на основе элемента, представленного на рис. 3.34 (для упрощения другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т 3 и Т 4 на рисунке не показаны). Когда на один или оба входа подается логический сигнал «1», то u вых соответствует логическому нулю. Если на обоих входах логические сигналы «0», то напряжение u вых соответствует логической единице.

Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц и более.