- Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)
- Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
- Логические уровни ТТЛ микросхем
- Микросхемы с диодами Шоттки (ТТЛШ)
- Логика на комплементарных МОП транзисторах (КМОП)
- Особенностью микросхем на комплементарных МОП транзисторах является то, что в этих микросхемах в статическом режиме ток практически не потребляется.
- Схема логического элемента "И-НЕ"
- Логические уровни КМОП микросхем
- Семейства КМОП микросхем
- Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики Общие сведения об ЭСЛ ИМС
- Цифровые микросхемы интегральной инжекционнойлогики
- Инжекционная логика с диодами Шоттки
_15Л_Логические МС. Цифровые микросхемы Виды цифровых микросхем
 Скачать 474.5 Kb.
|
|
Цифровые микросхемы Виды цифровых микросхем. В настоящее время используется несколько видов логических элементов:
Первоначально получили распространение цифровые микросхемы, построенные на основе ТТЛ технологии. Поэтому до сих пор существует огромное количество микросхем, построенных по этой технологии или совместимые с этими микросхемами по напряжению питания, логическим уровням и цоколёвке. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) Наиболее простой логический элемент получается при помощи диодов. Схема такого элемента приведена на рис. 1.  Рис. 1. Принципиальная схема логического элемента "2И", выполненного на диодах. В этой схеме при подаче нулевого потенциала на любой из входов (или на оба сразу) через резистор будет протекать ток и на его сопротивлении возникнет падение напряжения. В результате на выходе схемы единичный потенциал будет только если подать единичный потенциал сразу на оба входа микросхемы. То есть схема реализует функцию "2И". Количество входов элемента "И" зависит от количества диодов. Если использовать два диода, то получится элемент "2И", если три диода - то "3И", если четыре диода, то "4И", и так далее. В микросхемах выпускается максимальный элемент "8И". Недостатком ДТЛ является низкая нагрузочная способность. Поэтому к схеме диодного логического элемента "И" обычно подключается двухтактный усилитель на биполярных транзисторах Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) Технологически логику удобней реализовать на транзисторе с несколькими дополнительными эмиттерами. В ТТЛ схемах вместо параллельного соединения диодов используется многоэмиттерный транзистор. Принцип работы этого элемента не отличается от работы диодного элемента "2И". Высокий потенциал на выходе многоэмиттерного транзистора получается только в том случае, когда на обоих входах элемента (эмиттерах транзистора) присутствует высокий потенциал и все эмиттерные переходы заперты (т.е. нет эмиттерного тока). Принципиальная схема типового элемента ТТЛ микросхемы приведена на рис. 2.   Рис. 2. Принципиальная схема типового элемента ТТЛ микросхемы. Усилитель инвертирует сигнал на выходе схемы. По такой схеме выполнены базовые элементы микросхем серий 130, 131, 133, 134, 155. Элемент "И-НЕ" в этих сериях микросхем обычно имеет обозначение ЛА. Например, схема К155ЛА3 содержит в одном корпусе четыре элемента "2И-НЕ". На основе базового элемента строится и инвертор. В этом случае на входе используется только один диод При необходимости объединения нескольких логических элементов "И" по схеме "ИЛИ" (или при реализации логических элементов "ИЛИ") транзисторы VT2 соединяются параллельно в точках "а" и "б", показанных на рис.2, а выходной каскад используется один. Принципиальная схема логического элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" приведена на рис.3.   Рис. 3. Принципиальная схема ТТЛ микросхемы "2И-2ИЛИ-НЕ". Такие элементы содержатся в цифровых микросхемах с обозначением ЛР. Схемы "ИЛИ-НЕ" в ТТЛ сериях микросхем обычно имеет обозначение ЛЕ. Например схема К1531ЛЕ5 содержит в одном корпусе четыре элемента "2ИЛИ-НЕ". Логические уровни ТТЛ микросхем В настоящее время применяются два вида ТТЛ микросхем - с пяти и и с трёхвольтовым питанием, но, независимо от напряжения питания микросхем, логические уровни нуля и единицы на выходе этих микросхем совпадают. Поэтому дополнительного согласования между ТТЛ микросхемами обычно не требуется. Допустимый уровень напряжения на выходе цифровой ТТЛ микросхемы показан на рис. 4.  Рис. 4. Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем. Напряжение неопределенного состояния на входе цифровой микросхемы по сравнению с выходом обычно допускается в меньших пределах. Границы уровней логического нуля и единицы для ТТЛ микросхем приведена на рис.5.  Рис. 5. Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем. Микросхемы с диодами Шоттки (ТТЛШ) Недостатком обычных транзисторных ключей является наличие режима насыщения в открытом состоянии. При этом увеличивается время перехода транзистора из проводящего состояние в закрытое вследствие необходимости рассасывания избыточных носителей из периферийных областей транзистора. Чтобы транзистор не входил в насыщение, между коллектором и базой включают диод. На рис. 6, а изображено подключение диода Шоттки VDшк транзистору VT, на рис. 6, б — символ транзистора Шоттки  Рис.6. Диод Шоттки имеет пороговое напряжение открывания порядка (0,2÷0,4 В) в отличии от порогового напряжения кремниевого р-п-перехода 0,7 В и значительно меньшее время жизни неосновных носителей в полупроводнике. Транзистор удерживается от перехода в насыщение диодом Шоттки с низким порогом открывания (0,2÷0,4В), поэтому предотвращается вхождение транзистора в режим Семейства ТТЛ микросхем Стандартные ТТЛ микросхемы - это микросхемы, питающиеся от источника напряжения +5В. Зарубежные ТТЛ микросхемы представлены серией SN74. Конкретные микросхемы этой серии обозначаются цифровым номером микросхемы, следующим за названием серии. Например, в микросхеме SN74S00 содержится четыре логических элемента "2И-НЕ". Аналогичные микросхемы с расширенным температурным диапазоном получили название SN54 (отечественный вариант - серия микросхем К133). Отечественные микросхемы, совместимые с SN74 выпускались в составе серий К134 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74L), К155 (среднее быстродействие среднее потребление - SN74) и К131 (высокое быстродействие и большое потребление). Затем были выпущены микросхемы повышенного быстродействия с диодами Шоттки. В названии зарубежных микросхем в обозначении серии появилась буква S. Отечественные серии микросхем сменили цифру 1 на цифру 5. Выпускаются микросхемы серий К555 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74LS) и К531 (высокое быстродействие и большое потребление - SN74S). В настоящее время отечественная промышленность производит микросхемы серий К1533 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74ALS) и К1531 (высокое быстродействие и большое потребление - SN74F). За рубежом производится трехвольтовый вариант ТТЛ микросхем - SN74ALB Логика на комплементарных МОП транзисторах (КМОП) Микросхемы на комплементарных транзисторах строятся на основе МОП транзисторов с n- и p-каналами. Один и тот же потенциал открывает транзистор с n-каналом и закрывает транзистор с p-каналом. При формировании логической единицы открыт верхний транзистор, а нижний закрыт. В результате ток через микросхему не протекает. При формировании логического нуля открыт нижний транзистор, а верхний закрыт. И в этом случае ток через микросхему не протекает. Простейший логический элемент - это инвертор. Его схема приведена на рис. 6.   Рис. 6. Особенностью микросхем на комплементарных МОП транзисторах является то, что в этих микросхемах в статическом режиме ток практически не потребляется. Потребление тока происходит только в момент переключения микросхемы из единичного состояния в нулевое и наоборот. Этим током производится перезаряд паразитной ёмкости нагрузки. Схема логического элемента "И-НЕ" на КМОП микросхемах приведена на рис. 7.  Рис. 7. Транзисторы V1, V2 образуют активную нагрузку. Если на выходе требуется сформировать высокий потенциал, то транзисторы открываются, а если низкий - то закрываются. В этой схеме, так же как и в схеме на рис.6, если транзисторы верхнего плеча будут открыты, то транзисторы нижнего плеча будут закрыты, поэтому в статическом состоянии ток микросхемой от источника питания потребляться не будет. Табл.1. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2И-НЕ"
В настоящее время именно КМОП микросхемы получили наибольшее развитие. В рассмотренных схемах для упрощения не показывались защитные диоды. Полная схема КМОП инвертора приведена на рис. 8.  Рис.8.. Диоды VD1 и VD2 были введены для защиты входного каскада от пробоя статическим электричеством. Логические уровни КМОП микросхем Логические уровни КМОП микросхем при пятивольтовом питании показаны на рис.9.  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.
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= 1э1+ Iэ2 в процессе работы; наличие прямого и инверсного выходов Uвых1,Uвых2.  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 Uлдо 800 мВ. В ИМС серии 500 уровень интеграции до 80 логических элементов на кристалле; функциональный набор микросхем — 48 модификаций, потребляемая элементом мощность Рпот=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 VT1-VT5 и резисторах R1-R7 и представляет собой дифференциальный усилитель, работающий в режиме ключа, имеющий несколько входов. Увеличение числа входов ТП достигается параллельным подключением дополнительных входных транзисторов VT1—VT4.  Рис. 12 Базовый ЛЭ работает следующим образом. При подаче на все входы схемы XI-X4 напряжения низкого уровня (-1,7 В) входные транзисторы VT1-VT4 закрыты, транзистор VT5 открыт, так как напряжение на его базе UОП= -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. Цифровые микросхемы интегральной инжекционнойлогики Рассмотренные ранее логические элементы ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ строят на транзисторах, диодах, резисторах. Однако при интегральной технологии изготовление транзисторов оказывается более предпочтительным, чем изготовление резисторов, особенно высокоомных. Основные причины этого:
Для создания интегральных схем стала широко применяться интегрально-инжекционная логика (И2Л) — один из наиболее перспективных классов логических микросхем на биполярных транзисторах. Транзистор с инжекционным питанием (рис.13) может быть создан с помощью хорошо освоенного метода двойной диффузии на подложкеn-кремния, он совместим с технологией изготовления биполярных транзисторов.  Рис.13 Параллельное соединение нескольких элементов И2Л, как показано на рис. 14, образует логический элемент ИЛИ-НЕ .   Рис. 14 Если оба входа закоротить (состояние логического нуля на входах X1= 0, Х2 = 0), то ток I, не потечет в базы транзисторов VT1,VT2,они будут закрыты. Это состояние соответствует логической 1 на выходе. Если один (или оба) входа разомкнуть X1= 1 (или Х2= 1), то ток Ikпотечет в базу VT1(или VT2), откроет его до насыщения и обеспечит тем самым режим короткого замыкания на выходе — состояние логического 0. Инжекционная логика с диодами Шоттки Введение диодов Шоттки (ДШ) в схемы И2Л обеспечивает увеличение быстродействия путем исключения накопления неравновесных носителей при прямом смещении (диффузионные емкости) и уменьшения логических перепадов, а также упрощает структуру логической схемы за счет электрической развязки логических цепей. Логический перепад снижается до величины UЛ= 0,3-0,4 В. Уменьшение задержки обеспечивается в элементах с диодами и транзисторами Шоттки (рис 16). Транзистор Шоттки образуется путем включения диода Шоттки, VDшошунтирующего переход коллектор-база. Развязывающий VDшои шунтирующий VDшодолжны иметь различную высоту потенциального барьера. Логический переход в таких элементах И2Л составляет примерно Uл = 150-200 мВ. Вследствие малых значений Uли tэддля данной схемы характерно высокое быстродействие и низкая работа переключения.  Рис. 16 Таким образом, по своим основным параметрам: потребляемой мощности, площади, занимаемой на кристалле, другим И2Л — элементы наиболее перспективны для построения микросхем высокой степени интеграции, содержащих сотни и тысячи элементов на одном полупроводниковом кристалле. Одной из важнейших областей их применения является создание БИС микропроцессоров. |