книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

Из законов де Моргана вытекают следствия

спомощью которых появляется возможность выражать конъюнкцию через дизъюнкцию

иотрицание или дизъюнкцию через конъюнкцию и отрицание;

13)законы поглощения

*1 V (-<1 А **) = Ч>\

(2.5)

Ч А (Ч V Ч) = Ч'<>

14) законы склеивания

Ч А Ч V А *2 = *2. \

(2.6)

(*1 V Ч) А (*1 V *2) = Ч - )

Для минимизации переключательных функций применяются также метод карт Карно, метод Квайна — Мак • Класки [421 и др.

3.ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРАНЗИСТОРНОЙ

ИДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ

КИЛЭ транзисторной логики [44] относятся элементы резисторно-транзисторной ло­ гики (РТЛ), транзисторной логики с непосредственными связями (НСТЛ), транзистор­ ной логики с резисторными связями (РСТЛ), транзисторной логики с резисторно-конден­ саторными связями (РКТЛ), транзисторной логики с эмнттерными связями ЭСТЛ (ТЛЭС).

Логический элемент типа НСТЛ (рис. 2.4, а) при положительной логике реализует

операцию ИЛИ—НЕ. Если на все входы ИЛЭ поданы низкие уровни напряжения (wBxi =

вующий транзистор открыт и насыщен. При этом на выходе ИЛЭ будет низкий уровень

21

Логические элементы РТЛ и РКТЛ в полупроводниковых интегральных схемах с высокой степенью интеграции оказались не перспективными в связи с большим коли­ чеством резисторов и конденсаторов, занимающих большую площадь.

Логические элементы РСТЛ характеризуются малой потребляемой мощностью (Pn0TCp = 0,8...3 мВт), средним быстродействием (t3дрср = 150...500 нс), низкой

токи t3l и iKl, а напряжение wRl уменьшается. Вместе с тем увеличение еэ1 вызывает уве­ личение иэ и уменьшение ибэ2, уменьшение токов t32, iK2 и увеличение ик2. При достиже­

*к2 увеличиваться и ик2уменьшаться. При достижении ибэ1 значения напряжения запира­

ния транзистор VTI запрется, ток / 9 потечет через транзистор VT2 и иК2 = £ — / Э# К| « к != Е.

22

Таким образом, при изменении ывх относительно £$ ток переключается из одного

транзистора в другой при небольших перепадах напряжения, что обусловливает неболь­ шое сопротивление 7?к, а значит и небольшую постоянную времени цепи перезаряда па­ разитных емкостей, шунтирующих коллекторы транзисторов. Это обстоятельство спо­ собствует повышению скорости переключения ПТ.

В принципе рассмотренный ПТ можно использовать в качестве логического элемен­ та ТЛЭС, но он имеет следующие недостатки.

Во-первых, число логических операций, реализуемых элементом, невелико. Действительно, если использовать в качестве выходного напряжение иКъ то ПТ реали­

зует логическую операцию НЕ (у± = х). Если же в качестве выходного использовать напряжение ик2, то он реализует операцию у2= х. Во-вторых, уровни логического О (логической 1) на входе и выходе ПТ различны. В-третьих, рассмотренный ПТ имеет низ­

кую нагрузочную способность.

Поэтому интегральные логические элементы ТЛЭС выполняют по схеме (рис. 2.5, в)9 которая отличается от схемы ПТ (рис. 2.5, а) тем, что в одно из плеч включено параллель­ но несколько транзисторов (VTV и VT1 на рис. 2.5, в). Эти транзисторы равноценны в том смысле, что при отпирании любого из них (или всех вместе) ток / э из правого плеча схемы переключается в левое. Транзистор VT2 опорный.

23

Эмиттерные повторители на транзисторах VT3 и VT4 существенно увеличивает нагрузочную способность ЛЭ. Кроме того, за счет падения напряжения на эмиттернЫ* переходах транзисторов VT3 и VT4 выходные потенциалы транзисторов VT1 и VT2 понижаются, в результате чего выравниваются уровни логического 0 (логической 1) на входе и выходе элемента. Для этой же цели в реальных ИЛЭ в цепи эмиттеров тран­ зисторов VT3 и VT4 включаются диоды. На практике в схемах ТЛЭС заземляют не от­ рицательный, а положительный полюс источника питания.

хотя бы на одном входе, например, первом, действует высокий уровень напряжения:

Таким образом, из рассмотрения принципа работы ЛЭ следует, что на первом его

выходе реализуется логическая операция ИЛИ—НЕ (уг = хх V *2), а на втором — логическая операция ИЛИ (у2 = хг V *2).

Преимущество элементов ТЛЭС — высокое быстродействие (/зд р ср = 0,5...12 нс)

в сочетании с логической гибкостью (наличие прямого и инверсного выходов) и большим коэффициентом разветвления (/Сраз = 5...25); недостатки — относительно большая по­

требляемая мощность (50... 100 мВт) и малая помехоустойчивость. Коэффициент объе­ динения Коб до 10.

Логический элемент диодно-транзисторной логики (ДТЛ) (рис. 2.6, а) представ­ ляет собой сочетание диодного логического элемента И (диоды VD1...VD3, резистора R и источника £ х) с транзисторным инвертором. Связь между входным логическим эле­ ментом И и инвертором осуществляется с помощью двух последовательно включенных кремниевых диодов VD4 и VD5, которые не выполняют логических функций и предназна­ чены для более надежного запирания транзистора VT.

Кремниевые п - р - /i-транзисторы, используемые в ИЛЭ, имеют следующие осо­ бенности. Во-первых, при напряжении на базе UQ < 0,5 В ток базы 1Q $=* 0, т. е. его вход­ ное сопротивление велико (десятки килоом). При этом транзистор практически заперт. Только при UQ > 0,5...0,6 В базовый и коллекторный токи быстро растут при увеличе­ нии U(5. Насыщение транзистора обычно достигается при базовом напряжении U6 н *=*

$=*0,6...0,8 В. Во-вторых, коллекторное напряжение насыщенного транзистора (7КН$=*

$=*0,1...0,2 В, следовательно, коллекторный переход насыщенного транзистора "смещен в прямом направлении и находится под напряжением £/кб н = —(0,4...0,6) В.

Кроме рассмотренного ИЛЭ, применяются различные его модификации. В ИЛЭ (рис. 2.6, б) вместо одного из смещающих диодов используется работающий в активном режиме транзистор VT1, который усиливает ток, отпирающий транзистор VT2. Это позволяет снизить требования к усилению транзистора VT2 (в качестве VT2 использо­ вать транзистор с меньшим Р), что способствует увеличению процента выхода годных схем и увеличению нагрузочной способности при заданном р.

Однако использование транзисторов с большим разбросом Р, допустимым в данном ИЛЭ, увеличивает степень насыщения транзистора VT2 в тех экземплярах ИЛЭ, для которых р соответствует верхней границе допуска. Это обстоятельство приводит к

увеличению задержки выключения элемента /зд, вызванную рассасыванием избыточного

заряда базы. Для уменьшения времени рассасывания используется ускоряющая емкость, роль которой выполняет барьерная емкость запертого диода VD5.

Существенный недостаток рассмотренных ДТЛ элементов — большое выходное со­ противление, что снижает их быстродействие и нагрузочную способность. Этот недоста­ ток устранен в ИЛЭ со сложным инвертором (рис. 2.6, в), который построен на транзис­ торах VT1, VT2, VT3 и диоде VD5. Входом сложного инвертора является база транзис­ тора VTJ.

зитные емкости быстро разряжаются через транзистор VT3. Транзистор VT2 в этом случае должен быть закрыт, что достигается включением кремниевого диода VD5. При

24

включении диода VD5 большая часть напряжения, прикладываемого к базе транзистор* VT2, падает на диоде, так как его сопротивление в области малых токов значительно больше входного сопротивления транзистора VT2. Поэтому напряжение на базе тран­ зистора VT2 будет иметь значение, при котором этот транзистор закрывается.

Когда хотя бы на одном входе ИЛЭ действует напряжение uBXi = UBX(х,- = 0),

транзистор VT1 запирается, напряжение на резисторе R4 равно нулю, транзистор VT3 запирается. Так как база транзистора VT2 подключена к коллектору закрытого тран­

зистора VT1, то транзистор VT2 отпирается и насыщается, а ивых = 6/вых {у =1).

Паразитные емкости быстро заряжаются через транзистор VT2.

Таким образом, в обоих состояниях сложный инвертор обладает малым выходным сопротивлением, что обеспечивает его высокую нагрузочную способность и высокое быст­ родействие. Однако увеличение числа транзисторов в ИЛЭ со сложным инвертором по­ вышает потребляемую мощность.

В рассмотренных ДТЛ элементах имеются только три входа. Для увеличения логи­ ческих возможностей элементов от точки А делается вывод, называемый входом расшире­ ния по И. Если к этому входу подключить диодную сборку (рис. 2.6, в), то количество ин­ формационных входов увеличится.'

Рассмотренные ДТЛ элементы реализуют операцию И—НЕ.

Однако логические возможности ДТЛ элементов можно расширить, соединив парал­ лельно выходы нескольких однотипных элементов. Так, например, при соединении вы­ ходов двух элементов полученный ИЛЭ (рис. 2.6, г) будет реализовывать операцию И—ИЛИ—НЕ: _________________________

У = xv Д х2Д * 3V *4 А *5 А *в-

При таком соединении у = 0, если открыты оба транзистора VT1 и VT1' или хотя

Современные элементы ДТЛ имеют следующие средние значения основных парамет­ ров: потребляемая мощность Рпот ст = 10...80 мВт, время задержки распространения

сигнала ^вд.р.ср = 25... 150 нс, помехоустойчивость (/пст = 0,3...0,8 В, коэффициент разветвления /Сраз = 8...20, коэффициент объединения /Соб = 6...8.

4. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ

Транзисторно-транзисторный ЛЭ с простым инвертором (рис. 2.7, а), при положи­ тельной логике реализующий логическую операцию И—НЕ, состоит из многоэмиттерного транзистора VTU и простого инвертора на транзисторе VT1. Транзистор VTUреа­ лизует логическую операцию И, а инвертор — логическую операцию НЕ.

Эмиттеры в транзисторе VTM изолированы друг от друга, поэтому формально ТТЛ элемент аналогичен ДТЛ элементу. Функции входных диодов ДТЛ элемента в ТТЛ эле­ менте выполняют эмиттерные переходы, а функции смещающих диодов — коллекторный переход транзистора VTM. Однако связь между эмиттерным и коллекторным перехода­ ми в транзисторе VTM, вызванная диффузией электронов в базе, приводит в ТТЛ эле­ ментах к качественно новым явлениям, не встречающимся в ДТЛ элементах. Рассмотрим работу ТТЛ элемента в предположении, что входные сигналы снимаются с коллекто­ ров предшествующих аналогичных элементов.

Если ивх1 = ивх2 = пвх3 = VlBX (я* = х2= *з=1), то все транзисторные структуры

транзистора VTM работают в активном инверсном режиме (в этом режиме роль коллекто­ ра выполняет эмиттер, а роль эмиттера — коллектор). Для получения инверсного режима транзистора необходимо, чтобы эмиттерный переход был смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. В данном случае эти условия выполняются. Действитель­

но, потенциалы эмиттеров транзистора VTU близки к Ек (£/вх 3,5 В), так как вход­

ные сигналы снимаются с запертых аналогичных элементов. Потенциал базы ниже потен­ циалов эмиттеров, так как часть напряжения Ек падает на резисторе /?б- Потенциал коллектора еще ниже и равен ибэ1 = 0 6 н ^ 0,8 В, так как транзистор VT1 в этом слу­

чае насыщен.

25

Таким образом, из соотношения потенциалов на электродах транзистора VTMсле­ дует, что он работает в инверсном режиме. Так как коэффициент передачи тока Р| тран­

зистора, работающего в инверсном режиме, мал (сотые или даже тысячные доли едини­ цы), то из цепи базы в цепи эмиттеров, играющих роль коллекторов, будет передаваться небольшая часть тока /бм, а большая его часть потечет через коллектор транзистора

VTM, а следовательно, и через базу транзистора VT1, насыщая его. Поэтому при хх = = *2 == 1 транзистор VT1 насыщен и ивых = и вых (у = 0).

Если хотя бы на один вход подается низкий уровень напряжения, то соответствую­ щая транзисторная структура работает в нормальном включении, а все остальные в

инверсном. Действительно, напряжение UBX = 0,2 В и меньше, чем напряжение на базе

свидетельствует о нормальном включении со­

включению. Усиленный ток ix = р(бм вытека­

ет из базы транзистора VT1, форсированно запирая его. По мере запирания транзистора VT1 его входное сопротивление увеличивается, ток ix уменьшается, что вводит транзис­ тор VTMв состояние насыщения по рассматриваемому входу. При этом низкий уровень

ким образом, элемент ТТЛ реализует логическую операцию И—НЕ (у = хх Д х2 Д ха). Элемент ТТЛ, вследствие форсированного запирания транзистора VT1, имеет более высокое быстродействие по сравнению с элементом ДТЛ. Но в элементе ТТЛ с простым инвертором возможности по быстродействию реализуются не полностьюКроме того, он имеет низкие нагрузочную способность и помехозащищенность по отношению к отпи­ рающей помехе. Низкая нагрузочная способность объясняется большим выходным сопро­ тивлением в закрытом состоянии. Поэтому большинство выпускаемых промышленностью элементов ТТЛ содержит сложный инвертор (рис. 2.7, б), принцип работы которого в дан­ ной схеме практически полностью совпадает с описанным принципом в элементах

выходу, быстро разряжаются через транзистор VT3, вследствие чего длительность фрон­ та спада /ф выходного напряжения получается малой. При подаче хотя бы на один вход

низкого уровня напряжения UBX транзисторы VT1 и VT3 запираются, а транзистор VT2

26

5. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА МОП-ТРДНЗИСТОРАХ

Схема ЛЭ ИЛИ—НЕ на однотипных МОП-транзисторах с индуцированным я-ка- налом показана на рис. 2.9, а. Так как в таких транзисторах используется поло­ жительное напряжение питания, то, как и ранее, в качестве 1 принимается высокий, а в качестве 0 — низкий положительные уровни потенциала.

При сравнении данной схемы со схемой, изображенной на рис. 2.4, я, видим, что по своей структуре она аналогична схеме ИЛИ—НЕ на биполярных транзисторах со свя­ занными коллекторами (НСТЛ) и работает также. Отличие заключается в том, что в ка­ честве нагрузки используется МОП-транзистор VTU вместо нагрузочного резистора. У нагрузочного транзистора VTHзатвор соединен с истоком. При таком включении тран­

зистора VTn U3H= Ueu, Поэтому при Ucu < Un канал исчезает и ток стока f0 = ПРН UM > (Jn появляется проводящий канал и ток стока ic, при дальнейшем увеличе­

транзисторе появится проводящий канал с малым сопротивлением и выходное напряже­ ние снизится, т. е. ивых = £УВЫХ. Транзистор VTHПРИ этом будет открыт, так как напря­

жение между затвором и истоком U3n > Un. При ивх1 = ывх2 = нвх3 = ^вх < тран­

закрыт. Такой режим нежелателен, так как увеличивается постоянная времени цепи за­ ряда емкостей, включенных параллельно выходу ИЛЭ. Таким образом, данный ИЛЭ

реализует логическую операцию ИЛИ—НЕ у = х± V Ч V ИЛЭ, реализующий логи­ ческую операцию И—НЕ, показан на рис. 2.9, б•

28

обусловленное большой постоянной времени цепи заряда емкостей, включенных парал­ лельно выходу ИЛЭ.

ИЛЭ на комплементарных транзисторах (КМОП логика или КМОПТЛ) (рис. 2.9, е) реализует логическую операцию ИЛИ—НЕ. В качестве коммутирующих применены транзисторы (VT4, VT5, VT6) с индуцированным л-каналом, а в качестве нагрузочных —

входов открывается большее число коммутирующих транзисторов, однако иВЬ1Х= ^ ВЫЗ(Х

Триггеры на интегральных микросхемах применяются в ЭВМ, автоматике и в раз­ личной радиоэлектронной аппаратуре. Обладая двумя устойчивыми состояниями, каж­ дому из которых приписывается значение логических 0 и 1, они могут в течение опреде­ ленного времени хранить записанную в них в двоичном коде информацию. Поэтому триггеры используют в качестве элементов памяти при построении регистров, счетчиков

и других узлов ЭВМ.

Триггеры имеют два выхода (прямой и инверсный) и один или два информационных входа. Кроме информационных, триггер может иметь вспомогательные входы: синхро­ низации, начальной установки в исходное состояние и др. В зависимости от логической связи между состоянием триггера и действующими на его информационных всходах сагналами различают: R S-, У/С-, V йи Г-триггеры. Название триггера определяет количест­ во информационных входов и их назначение. Если в названии две буквы, следоватедь-

29

но, триггер имеет два информационных входа с соответствующими названиями. Связь между информационными сигналами на входах триггера и его состоянием задается табли­ цей переходов или логической формулой.

Триггеры могут быть асинхронными и синхронными (тактируемыми). В асинхрон­ ных триггерах информация на выходе изменяется одновременно с изменением входной информации. В синхронных (тактируемых) — состояние триггера изменяется только в моменты действия синхронизирующего или, как его часто называют, тактового им­ пульса. При отсутствии тактовых импульсов состояние триггера остается неизменным, несмотря на изменение информации на входе.

Триггеры могут быть одноступенчатыми и двухступенчатыми. В одноступенчатых — информация на выходе изменяется одновременно с изменением информации на его вхо­ дах (асинхронные триггеры) или в момент появления тактовых импульсов (синхронные). Двухступенчатые триггеры всегда синхронные. Первая ступень такого триггера пере­

ключается во время действия тактового импульса. Вторая ступень во время действия так­ тового импульса хранит предыдущую информацию и переключается в новое состояние после окончания действия тактового импульса. Таким образом, информация на выходе двухступенчатого триггера задерживается относительно входной информации на дли­ тельность тактового импульса.

Сигналы, подаваемые на входы установки триггера, могут быть прямыми и инверс­ ными. Если в исходное состояние триггер устанавливается под действием сигналов, которым приписано значение 1, то такие сигналы называют прямыми, если же под дей­ ствием сигналов 0, то их называют инверсными.

Триггеры на интегральных микросхемах характеризуются такими же эксплуатаци­ онными параметрами, как и логические элементы: потребляемой мощностью, коэффици­ ентом разветвления по выходу (нагрузочная способность), временем распространения при переключении, диапазоном рабочих температур и др. Кроме того, триггеры характери­ зуются максимальной частотой переключения.

Потребляемая триггерами мощность и частота переключения определяются типом логики, компановкой схем и режимом работы активных элементов. Нагрузочная спо­ собность характеризуется схемой выходного каскада. Поскольку повышение экономич­ ности триггеров, построенных на элементах одной логики, в основном, достигается увели­ чением сопротивления резисторов и уменьшением токов, протекающих через активные эле­ менты триггера, то более экономичные триггеры оказываются и более низкочастотными.

Триггеры выполняются на отдельных стандартных (базовых) интегральных логи­ ческих элементах одной и той же серии. По такому принципу обычно строят /^S-триггеры и простые D-триггеры. Более сложные триггеры — //( , сложные D -триггеры и Г-триг-

30