3.6. Характеристики серий логических элементов

Развитие микроэлектроники привело к созданию малогабаритных, надежных и экономичных управляющих и вычислительных устройств на цифровых интегральных микросхемах (ИС). Комплект ИС, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, принято называть серией. Серии ИС проектировались на основе интегральных технологий в следующей исторической последовательности:

· резистивно-транзисторная логика (РТЛ);

· резистивно-емкостная транзисторная логика (РЕТЛ);

· диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

· транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

· эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

· транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);

· интегральная инжекционная логика (И2Л);

· КМОП – схемы на взаимодополняющих (комплементарных) транзисторах.

В настоящее время в новых разработках применяются в основном серии ТТЛШ и КМОП, остальные серии либо сняты с производства, либо имеют ограниченное применение.

В элементах транзисторно-транзисторной логики за логический 0 принят диапазон напряжений в диапазоне 0 ÷ 0,6 В, за уровень логической 1 – 2,4 ÷ 5 В при напряжении источника питания 5 В. В свое время эти элементы получили столь широкое распространение, что для обмена сигналами между любыми цифровыми устройствами (ЭВМ, микропроцессорами и т.п.) долгое время были приняты уровни логических сигналов ТТЛ.

Схема базового элемента ТТЛ представлена на рис. 3.7.

Рис. 3.7 Схема элемента ТТЛ

Входной каскад выполнен на многоэмиттерном транзисторе VT1, фазоразделительный – на транзисторе VT2, транзисторы VT3 и VT5 образуют выходной каскад. При поступлении сигналов низкого уровня (логических нулей) на входы А, В и С можно считать, что они находятся под потенциалом, примерно равным потенциалу общего провода (земли). Ток от источника +Еп через резистор R1 и эмиттерные переходы VT1 стечёт на землю, его коллекторный переход будет заперт, и ток базы VT2 близок к нулю. Ввиду этого VT2 заперт, и потенциал его коллектора будет высоким, а эмиттера – низким. Это приведёт к тому, что VT3 будет открыт, а VT5 – заперт. Через резистор R3, открытый VT3 и транзистор VT4, включённом как диод, от источника +Еп к выходу F поступит высокий потенциал логической единицы. Если на один или два входа подать высокий уровень логической единицы, то соответствующие эмиттерные переходы VT1 закроются под действием обратного напряжения, но через оставшийся открытым переход ток резистора R1 будет по-прежнему стекать на землю, и никаких изменений в состоянии схемы не произойдёт. Только при подаче высоких уровней на все входы А, В и С транзистора VT1 все его эмиттерные переходы закроются и ток резистора R1 от источника +Еп пойдет через переход база-коллектор VT1 в базу транзистора VT2, что приведет к его открыванию. Под действием протекающего через него тока создаются падения напряжений на R2 и R4, потенциал коллектора VT2 падает, а эмиттера – возрастает. Это ведёт к запиранию VT3 и отпиранию VT5. Через последний выход F оказывается соединённым с общим проводом и на выходе будет уровень логического нуля.

Таким образом, этим элементом реализуется логическая функция 3И-НЕ:

.

Транзистор VT4 в диодном включении служит для более надёжного запирания VT3. Транзисторы VT3, VT4 и VT5 (см. рис. 3.7) образуют так называемый сложный инвертор. В каждом состоянии ЛЭ один из двух выходных транзисторов – VT3 или VT5 – отперт. Благодаря этому выходное сопротивление ЛЭ в обоих состояниях достаточно мало. Тем самым обеспечивается быстрый заряд и разряд паразитных емкостей, которые могут быть на выходе. Во время переключения транзисторов VT3 и VT5 из одного состояния в другое ток, потребляемый ЛЭ от источника питания, резко возрастает. Причина в том, что при переключениях оба транзистора в течение весьма короткого времени бывают отперты одновременно и ток в цепи питания ограничен только резистором R3 (около 130 Ом).

КМДП – комплементарные полевые транзисторы. «Комплементарный» значит допол
няющий
. КМДП – основной элемент микромощной электроники. КМДП ИС – самые экономичные по расходу электроэнергии и (что особенно важно!) по тепловыделению в процессе работы. Поэтому КМДП ИС завоёвывают ведущее положение в цифровой электронике: в схемах оперативной памяти и в конструкциях процессоров как персональных компьютеров, так и больших ЭВМ.

Один элемент КМДП ИС образован двумя полевыми транзисторами: один с p-каналом, другой с n-каналом (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Инвертор на КМДП. Принципиальная схема

Пусть Vвх = +Vпит (на входе логическая 1), тогда n-канал открыт, p-канал закрыт, тогда на выходе Vвых = 0 (на выходе логический 0).

Если Vвх = 0 (на входе логический 0), тогда n-канал закрыт, р-канал открыт, на

выходе Vвых = Vпит (на выходе логическая 1). В любом из состояний один из транзисторов закрыт и ток потребления практически отсутствует.

На рис. 3.9 приведена схема логического элемента И-НЕ, выполненного по технологии КМОП. Эта схема состоит из двух групп ключей на полевых транзисторах VT1, VT2, VT3 и VT4. Каждая группа управляется одним сигналом Вх 1 или Вх 2. При Вх 1 = = Вх 2 = 0 (низкие потенциалы) нижние n-канальные транзисторы заперты, а верхние р-канальные открыты и Вых = 1(высокий потенциал источника питания). Только при Вх 1 = Вх 2 = 1 оба нижних транзистора откроются, а оба верхних – закроются и Вых = 0.

Рис.3.9 Логический элемент 2И-Не

Применение полевых транзисторов с изолированным затвором обеспечивает высокое входное сопротивление микросхем КМОП. Благодаря малой входной емкости и высокому сопротивлению микросхемы КМОП чувствительны к статическому электричеству. Пробой изоляции под затвором происходит при напряжении около 30 В, в результате чего транзистор повреждается.