Основні типи логічних елементів..(конспект)

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

15.Базовий елемент ЕСЛ

Микросхемы эмиттерно–связанной логики (ЭСЛ) являются самыми быстродействующими из всех типов логик, и обеспечивается это за счет целого ряда особенностей этой логики.

Главная особенность эмиттерно–связанной логики (ЭСЛ), повышающая ее быстродействие, заключается в том, что схема ее логического элемента основана на дифференциальном усилителе (балансном каскаде), дифференциальном переключателе тока, показанном на рис. 3.1, два транзистора которого переключают ток и не попадают в режим насыщения. Благодаря этому значительно сокращается время выхода транзисторов логического элемента из открытого состояния и существенно повышается общее быстродействие.

В эмиттерную цепь этих транзисторов включен генератор стабильного тока (ГСТ), который ограничивает величину тока, протекающего через тот из двух транзисторов, который открыт.

Рис.9.1. Основа ЭСЛ логического элемента, – дифференциальный усилитель, в эмиттерную цепь которого включен генератор стабильного тока (ГСТ).Величина тока, задаваемая генератором стабильного тока (ГСТ), и сопротивления резисторов коллекторных нагрузок каскадов выбраны такими, чтобы исключить режим насыщения транзисторов в открытом состоянии независимо от разброса усиления этих транзисторов, что невозможно обеспечить в КМОП и в обычных ТТЛ сериях (кроме серий с транзисторами Шоттки).В ЭСЛ микросхемах имеется два противофазных выхода, – прямой и инверсный, поэтому в устройствах на ЭСЛ микросхемах отсутствуют промежуточные инверторы, которые в устройствах на ТТЛ и КМОП микросхемах вносят дополнительную задержку и снижают быстродействие.С целью уменьшения времени перезаряда паразитных емкостей за счет уменьшения выходного сопротивления ЭСЛ логических элементов в их схемы введены мощные эмиттерные повторители с сопротивлениями нагрузки малой величины 50 Ом.

Уменьшение задержки распространения в ЭСЛ сериях достигается также и за счет уменьшения длительности фронтов выходных импульсов за счет уменьшения перепада напряжения на фронтах импульсов:

В ЭСЛ сериях U¹_ВЫХ = – 0,96 В, U⁰_ВЫХ = – 1,65 В,

DU_ВЫХ = | U¹_ВЫХ – U⁰_ВЫХ | = 0,69 В,

В ТТЛ сериях U¹_ВЫХ = 3,6 В, U⁰_ВЫХ = 0,1 В,

DU_ВЫХ = | U¹_ВЫХ – U⁰_ВЫХ | = 3,5 В,

В КМОП сериях при питании +9 В U¹_ВЫХ = 9 В, U⁰_ВЫХ = 0 В,

DU_ВЫХ = | U¹_ВЫХ – U⁰_ВЫХ | = 9 В.

Даже если бы крутизна фронтов выходных импульсов у микросхем ЭСЛ, ТТЛ и КМОП была бы одинаковой, то только за счет уменьшения перепада напряжения на фронтах импульсов длительности фронтов выходных импульсов в ЭСЛ были бы в пять раз меньше, чем в ТТЛ, и в тринадцать раз меньше, чем в КМОП.

Но уменьшение перепада напряжения на фронтах импульсов означает меньшую разницу между уровнями нуля и единицы, а значит и помехи меньшей величины могут привести к неправильному срабатыванию ЭСЛ микросхем. Для снижения влияния помех в ЭСЛ микросхемах применяются следующие приемы:

1. С корпусной шиной в ЭСЛ микросхемах соединен положительный вывод питания, а не отрицательный, как во других логиках. При таком подключении чувствительность логического элемента к помехам по питанию (отрицательному) ослабляется благодаря наличию генератора стабильного тока и чем выше степень его стабилизации тем сильнее ослабляется эмиттерный синфазный сигнал помехи.2. Порог переключения ЭСЛ логического элемента стабилизируется с помощью источника опорного напряжения (ИОН), который фиксирует напряжение на базе одного из транзисторов дифференциального переключателя тока.3. Корпусная шина питания (положительного) маломощных чувствительных каскадов микросхем развязана от корпусной шина питания мощных выходных повторителей, являющихся основными источниками помех.4. Сопротивления нагрузки выходных эмиттерных повторителей подключаются не к шине отрицательного питания, а к отдельному источнику смещения. Напряжение источника смещения меньше, чем на шине отрицательного питания, поэтому мощность, рассеиваемая этими сопротивлениями нагрузки, практически на порядок снижена.

Вышеуказанные средства обеспечивают приемлемую помехоустойчивость ЭСЛ микросхем. Схема трехвходового логического элемента приведена на рис.3.2.

Рис.9.2. Схема трехвходового логического элемента ЭСЛ серии К500

В первых ЭСЛ сериях (отечественная серия К500) в качестве генератора стабильного тока (ГСТ) служил резистор, сопротивление которого больше, чем сопротивления коллекторных нагрузок.

В процессе развития ЭСЛ серий (отечественная серия К1500) были применены следующие улучшения:

– стали использоваться более быстродействующие транзисторы с граничной частотой f_Т » 4,5 ГГц, что обеспечивает t_ЗД » 0,75 нс (вместо f_Т » 1,5 ГГц, которая обеспечивала t_ЗД » 2 нс в серии К500);

– стала применяться более плотная "упаковка", т.е. вместо десяти логических элементов на миллиметр поверхности кристалла микросхемы в серии К500 в следующей серии К1500 двадцать логических элементов на миллиметр поверхности кристалла и это при том, что число транзисторов в одном логическом элементе увеличилось вдвое;

– стали использоваться более стабильные и сложные генераторы стабильного тока и источники опорного напряжения;

– напряжение питание уменьшили с 5,2 В до 4 В, но при этом обеспечивается совместимость между этими сериями по уровням логического нуля и единицы.

В ЭСЛ сериях неиспользованные входы можно оставлять ни к чему не подключенными, так как они внутри микросхем соединены с минусом питания через резисторы 50 кОм.

Выходы ЭСЛ микросхем можно соединять друг с другом с учетом их полярности: прямые выходы можно соединять в монтажное ИЛИ, а инверсные выходы, – в монтажное И.

16.Базовий елемент Мон ТЛ

МДН-транзистор (MOS — transistor) — напівпровідниковий прилад, що як базовий фізичний принцип використовує ефект поля.

Типовий МДН-транзистор складається з МД/ОН- структури (метал- діелектрик/окисел- напівпровідник, наприклад n— типу), та двох p— карманів для електродів джерела(source) та стоку(drain). Металічний управляючий електрод називається затвором (gate), а напівпровідниковий — підкладкою (bulk). Відомо, що МДН-структури мають три режими роботи: збагачення або акумуляції (з власною провідністю напівпровідника); слабої інверсії (із змішаною провідністю) та сильної інверсії (з інверсною провідністю). Тому в принципі можна використовувати будь-який з цих трьох режимів роботи для практичної реалізації МДН-транзистора, і на перших порах в 60-х роках їх і використовували при серійному виробництві (звідси має витік певна неоднозначність навіть в назвах цих приладів, оскільки одні працювали на основних носіях, другі — на неосновних, а треті мали змішану провідність, тому їх просто називали польові транзистори). Проте з часом переміг один режим роботи МДН-транзистора — «режим сильної інверсії», і тому сьогодні тільки з ним і пов"язується однозначно назва «МДН-транзистор». Але навіть в цьому разі реальні прилади можуть працювати в двох режимах роботи: слабої (при включенні), та сильної (нормальний режим) інверсій. В загальному випадку можлива реалізація МДН-транзисторів двох типів: n— канальних та p— канальних. Більше того, обидва типи МДН-транзисторів можуть бути виготовлені на одній підкладці. В цьому випадку говорять про комплементарні (КМОН-) транзистори. На КМОН- транзисторах досить легко реалізувати цифрові логічні схеми (наприклад — «інвертори»). Вигода від використання КМОН- логічних інверторів очевидна, оскільки вони в статичному режимі не споживають енергії. Дійсно, не залежно від логічного стану на виході інвертора, завжди один із послідовно включених транзисторів є «відкритий», а інший «закритий», тому струм через них не протікає. Проте при перемиканні логічного інвертора із одного стабільного стану в інший (перехідний процес) звичайно струм протікає, і його слід враховувати (особливо при високих тактових частотах логічних схем).

Принцип роботи

Після розв'язання проблеми поверхневих станів на початку 60-х років 20-го століття появились перші МДН-транзистори, а разом з ними і перші феноменологічні моделі їхньої роботи. Не зважаючи на достатню розробленість мікроскопічної теорії поверхневої провідності напівпровідника в ефекті поля, використати її при описі реальних МДН-транзисторів було не так просто, оскільки перша мала справу з мікроскопічними потенціалами, а другі — з макроскопічними напругами.

Тому перші фізико-математичні моделі МДН-транзисторів Хофштейна, Хеймана, Іхантоли та Молла мали чистий феноменологічний характер і використовували тільки макроскопічні напруги не пов'язані з мікроскопічними потенціалами.

Основною проблемою тут виступала задача введення квазірівнів Фермі для опису термодинамічної нерівноваги в умовах протікання електричного струму в каналі МДН- транзистора. Першому вдалося розв'язати цю проблему учню Шоклі — Са. Тому після двох публікацій Са в середині 60-х були закладені основи взаємозв'язку між макроскопічними величиними (струми та напруги на електродах МДН- транзистора) та мікроскопічними величинами на поверхні напівпровідника (поверхневі потенціали та концентрації носіїв).

17. базовий елемент КМОН ТЛ

(К-МОН; комплементарний метал-оксидний-напівпровідник; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) — технологія побудови логічних електронних схем. У технології КМОН використовуються МДН- транзистори з ізольованим затвором з каналами різної провідності. Основною особливістю схем КМОН в порівнянні з біполярними технологіями (ТТЛ, І²Л та ін.) є дуже мале енергоспоживання в статичному режимі (в більшості випадків можна вважати, що енергія споживається тільки під час перемикання станів) у випадку послідовного їх з'єднання (наприклад, у вигляді інвертора, чи якоїсь іншої логічної схеми). Другою особливістю структури КМОН в порівнянні з іншими МОН-структурами (N-МОН, P-МОН) є наявність як n-, так і p-канальних польових транзисторів на одній напівпровідниковій підкладці; як наслідок, КМОН-схеми мають вищу швидкодію та менше енергоспоживання, проте при цьому характеризуються складнішим технологічним процесом виготовлення і меншою щільністю упаковки.

Транзисторная логика

Элементы ТЛ строят путем параллельного4 подключения коллекторов транзисторов к общему резистору коллекторной нагрузки Кк. Выходное напряжение снимается с объединенных коллекторов. Если на один из входов поступает высокий уровень напряжения и!Н, то соответствующий транзистор открывается и на выходе устанавливается низкий уровень сигнала С/оі. Высокий уровень напряжения формируется на выходе только в случае подачи на все входы низких уровней ия.

В схеме ТЛРКС для ускорения переходных процессов резисторы ЯБ шунтированы конденсаторами СБ. Их роль описана при рассмотрении схемы инвертора (см. рис. 2.4). Временные диаграммы работы элементов ТЛ совпадают с процессами, изображенными на рис. 2.6.

Интегральная инжекционная логика

Разновидностью транзисторных схем являются элементы интегральной инжек-ционной логики (ИИЛ или И2Л). Схемотехнику И2Л используют для построения микропроцессорных и запоминающих БИС (серии К582, К583, К584 и др.).

Схема логического элемента И2Л показана на рис. 2.10.

Схема включает инжекционные р-п-р транзисторы VT\, VT2, включенные по схеме с общей базой, и входные многоколлекторные п-р-п транзисторы VTi, VT4, включенные по схеме с общим эмиттером. Эмиттеры транзисторов VT\, VT2 называются инжекторами, а протекающий через них дырочный ток — инжекционным. Каждый из транзисторов VTI, VT2 образует вместе с источником питания и внешним резистором R источник тока, который питает индивидуальным током 1Т входы транзисторов VT3, VT4.

Особенностями элементов И2Л являются:

"безрезисторность", характерная для МОП-структур, которая впервые была реализована в схемотехнике И2Л;

соединение областей базы и коллектора инжекционных р-п-р транзисторов соответственно с областями эмиттера и коллектора входных п-р-п транзисторов, а также малое число схемных компонентов и соединений между ними (количество операций маскирования и диффузии в два раза меньше сравнительно с элементами ТТЛ); низкий уровень напряжения UL= 0,01 В снимается с коллектора насыщенного транзистора, а высокий уровень напряжения С7Я= 0,8 В — с коллектора закрытого транзистора, причем этот уровень ограничивается напряжением базы насыщенного транзистора нагрузки; используется режим микротоков, в котором токи коллектора изменяются от десятков до сотен микроампер; работоспособность элементов сохраняется при изменении значения тока в них на несколько порядков;

на коллекторах входного транзистора реализуется инверсия переменной, а на соединенных коллекторах транзисторов V73, VT4 выполняются операции НЕ-ИЛИ.

Входные транзисторы управляются переключением тока на их входах. Если ко входу X, подключен коллектор левого насыщенного транзистора, то ток 1Т замыкается на него и не поступает в базу транзистора VI3, который закрывается и создает на своих коллекторах режим разомкнутых контактов. Если ко входу Хх подключен коллектор левого закрытого транзистора, то ток 1Т втекает в базу V73, насыщает его и обеспечивает на коллекторах режим замкнутых контактов.

Задержка распространения сигнала в элементе И2Л при токе 100 мкА составляет примерно 5-10 не, мощность потребления — до 20 мкВт, работа переключения равна 0,1 пДж (например, в ТТЛШ серии КР1533 работа переключения составляет 6 пДж). Отмеченные свойства элементов И2Л и БИС на их основе придают им технологичность и компактность, они имеют невысокую стоимость при большом быстродействии.

Логічний елемент - це електронний прилад, що реалізує одну з логічних функцій. В склад серій мікросхем, що розглядаються, входить велике число логічних елементів. На принциповій схемі логічний елемент зображають прямокутником, всередині якого ставиться зображення покажчика функції. Лінії з лівої сторони прямокутника показують входи, з правої - вихід елемента. На рисунку 2.5 зображені основні логічні елементи, що використовуються у цифрових приладах:

Елемент І (кон'юктор);

(a)

елемент АБО (диз’юнктор)

(б);

елемент НІ (інвертор 1)

(в).

Окрім означених існує множина логічних елементів, що виконують більш складні логічні перетворення. Ці перетворення є комбінаціями найпростіших логічних операцій. До числа таких елементів відносяться:

елемент І-НІ

елемент АБО-НІ

елемент І-АБО

елемент І-АБО-НІ

суматор за модулем 2

Число входів в логічних елементах різного призначення може бути різним, але входи кожного елемента рівнозначні. Деякі з них можуть при роботі в конкретних приладах не використовуватися. Входи, які не використовуються в схемах І, І-НІ з'єднують із +U_дж., а в схемах АБО, АБО-НІ, суматора за модулем 2 - із загальним проводом (0 В).

19.Основні правила та теореми алгебри логіки (конспек)

Познавательные статьи:



Формы дистанционного обучения

Передача мяча двумя руками снизу

Значение правильной осанки для жизнедеятельности человека

Основные ошибки при выполнении передач мяча на месте