УГО магнитодиода

Магнитодиоды применяются как датчики для измерения параметров магнитных полей.

Также существуют магнитотиристоры и магнитотранзисторы.

Тема 2.3 Цифровая микросхемотехника

1. Назначение и классификация цифровых микросхем (ЦИМС)

2. Основные параметры ЦИМС

3. Базовый элемент и особенности микросхем ТТЛ (транзисаторно-транзисторная логика)

4. Особенности микросхем ЭСЛ (эмиттерно-связаной логики)

5. Особенности микросхем КМДП (логика на комплиментарных полевых транзисторах с изолированным затвором и встроенным или индуцированным каналом)

6. Особенности микросхем И²Л (инжекционно-интегральной логики).

1. ЦИМС или логические микросхемы предназначены для выполнения разнообразных логических функций; запоминания информации и ряда других операций в совокупности обеспечивающих возможность построения отдельных блоков ЭВМ.

Наибольшее распространение получили ЦИМС на биполярных и полевых МДП транзисторах.

Классификация:

1) По виду сигнала:

1.1) импульсные цифровые микросхемы, имеют динамические входы и реагируют только на изменение входных напряжений:

a) от 0 к 1 – прямой динамический вход

b) от 1 к 0 – инверсный динамический вход

1.2) потенциальные ЦИМС, имеют статические входы и реагируют на наличие 0 или 1:

a) рабочее напряжение 1 – прямой статический вход

b) рабочее напряжение 0 – инверсный статический вход

1.3) импульсно-потенциальные цифровые микросхемы – имеют как статические, так и динамические входы.

2) По типу основной логической схемы:

2.1) ЦИМС ТТЛ- транзисаторно-транзисторная логика.

2.2) ЦИМС ЭСЛ - эмиттерно-связаная логика

2.3) ЦИМС КМДП; “n”-МДП; “p”-МДП

2.4) ЦИМС И²Л

3) По типу используемых транзисторов:

3.1) ЦИМС на биполярных транзисторах;

3.2) ЦИМС на полевых транзисторах.

2.Основные параметры ЦИМС:

Основные параметры являются общими для всех существующих и возможных в будущем логических микросхем. Они позволяют сравнить между собой ЦИМС различных типов.

Параметры ЦИМС:

1) реализуемая логическая функция – в маркировке две буквы (группа, подгруппа)

2) нагрузочная способность микросхем – это свойство характеризуется коэффициентом разветвления по выходу – это максимальное число однотипных входов микросхем, которые можно подключить одновременно к данному выходу микросхем.

3) Коэффициент объединения по входу (Коб, m) – характеризует нагрузочную способность микросхемы по входу – это наибольшее число однотипных выходов, которые можно подключить одновременно к данному входу. Как правило, Коб бывает до 10.

4) Среднее время задержки при передаче сигнала в микросхеме t_{задержки среднее} = (t¹⁰_зад.+t⁰¹_зад.)/2

t¹⁰_зад. – перепад напряжения от 1 к 0

t⁰¹_зад. – перепад напряжения от 0 к 1

Быстродействие также характеризуется предельной рабочей частотой f_пр – это наибольшая частота следования импульсов на входе при котором еще сохраняется работоспособность микросхем f_пр=1/t_зад.ср.

5) Статическая помехоустойчивость – характеризуется напряжением помехи:

U_п – это максимально допустимое напряжение помехи действующее на данную микросхему на входе или в цепи питания при котором работоспособность микросхемы еще сохраняется.

Помехоустойчивость также характеризуется коэффициентом помехоустойчивости:

К_П = U_П / _ΔU_min ,

где _ΔU_min = U¹_min – U⁰_max ;
_ΔU_min – минимальный перепад логических уровней.
U¹_min – наименьшее значение напряжения логической единицы.
U⁰_max –максимальное значение напряжения логического нуля.

6) Потребляемая мощность

Р_{ср.потреб} = (Р⁰_потреб + Р¹_потреб) / 2

по средней потребляемой мощности ЦИМС различают(четвертый признак классификации):
a) мощные ЦИМС: 25 мВт < Р_{ср.потреб} ≤ 250 мВт
b) ЦИМС средней мощности: 3 мВт < Р_{ср.потреб} ≤ 25 мВт
c) маломощные ЦИМС: 0,3 мВт < Р_{ср.потреб} ≤ 3 мВт
d) микромощные ЦИМС: 1 мкВт < Р_{ср.потреб} ≤ 300 мкВт
e) нановатные ЦИМС: Р_{ср.потреб} < 1 мкВт

7) Для ЦИМС также указывают предельное значение входных и выходных напряжений, токов, сопротивлений логического 0 и 1.

3.

Для этого рассмотрим свойство логических элементов:
a) логический элемент «ИЛИ»
УГО

Свойство:
На выходе единица, если хотя бы на одном входе единица.
b) логический элемент «И»
УГО

Свойство:
На выходе единица, если на всех входах одновременно единица.
c) логическое отрицание «НЕ»
УГО

Свойство:
y не равен х.

1) пусть на всех входах одновременно 0, следовательно, p-n переходы Б-Э VTM открыты, следовательно, база VTM соединена с общей точкой через входную цепь, следовательно, p-n переход Б-К VTM закрыт, следовательно, VT1 закрыт. U_вых–max, Y=1

3) на всех входах одновременно1, следовательно p-n переходы Б-Э VTM закрыты, следовательно на базе VTM +Uип, следовательно p-n переход Б-К VTM открыт, следовательно VT1 открыт. U_вых = U_к-э1. Y=0
Значит схема выполняет логическую функцию «И-НЕ».

В современных микросхемах ТТЛ реализуют базово-логический элемент со сложным инвертором.

VT1 и VT2 образуют «И-НЕ» с простым инвертором.

VT3 и VT4 образуют сложный инвертор.
Убедимся, что схема выполняет функцию «И-НЕ»:
1) если на входах хотя бы один 0, то VT2 закрыт, U_к-э2 max, VT3 открыт, выход соединен через VT3 с +питания, при этом VT4 закрыт, U_б-э4 = I_э2 · R_э2 ; I_э2 = 0; U_б-э4 = 0, выход изолирован от общей точки, значит Y=1.

2) если на всех входах 1, то VT2 открыт, VT4 открыт, значит выход Y соединен с общей точкой, при этом VT3 закрыт, т.к. база 3 через VT2-VT4 закорочена на эмиттер 3, этому способствует VD, Y изолирован от + питания, значит Y=0.
Преимущества сложного инвертора:
1) т.к VT3 и VT4 открываются поочередно, то почти в 2 раза увеличивается нагрузочная способность микросхем;
2) Несколько увеличивается потребляемая мощность микросхем, поэтому улучшается быстродействие;
3) при наличии линии разрешения возможно три состояния выхода микросхемы:
а) первое состояние выхода:
на линии разрешения 1, VDp закрыт, линия разрешения заблокирована, хотя бы на одном входе 0, выход Y через VT3 соединен с + питания (Y=1) и изолирован от общей точки.
b) второе состояние выхода:
На линии разрешения 1, на всех остальных входах 0, выход изолирован от + питания и соединен с общей точкой (Y=0)
c) третье состояние выхода:
на линии разрешения 0 (соединен с общей точкой), независимо от остальных входов, VDp открыт, к2, б3 соединяется с общей точкой, значит VT2, VT3, VT4 закрыты, выход Y изолирован от + питания и от общей точки – это высокий импеданс.

4) если убрать VT3, VD, R_к3 то выход будет соединен с коллектором VT4 и является свободным коллектором.

Правило: микросхемы со свободным коллектором включаются так, чтобы выход соединялся через нагрузку или добавочный внешний резистор с + питания.

Микросхемы со свободным коллектором имеют большую нагрузочную способность и несколько большее быстродействие.

Аналогичным образом можно получить микросхемы с открытым эмиттером.

Применение диодов Шотки в микросхемах ТТЛ позволяет повысить быстродействие. В результате получаем микросхемы ТТЛШ.

Микросхемы ТТЛ (ТТЛШ) имеют средние параметры по сравнению с микросхемами других логик, поэтому довольно распространены.

Примеры серий:

133 и К155 – стандартные ТТЛ;

130 и К131 – повышенного быстродействия;

134 и 530 – микромощные;

К 531 – с диодами Шотки.

4.Особенности микросхем ЭСЛ

Эти микросхемы представляют собой транзисторные переключательные схемы с объединенными эмиттерами на основе дифференциальных усилителей.

Микросхемы ЭСЛ самые быстродействующие (см. таблицу параметров), но потребляют наибольшую мощность для своей работы. В микросхемах ЭСЛ «+» питания в общей точке, поэтому уровень 0 (по напряжению), уровень 1, и все остальные напряжения в справочниках приводятся со знаком «–»

Примеры серий: 137, 100, К500, К 1500, и т.д.

5.Особенности микросхем КМОП, КМДП - эти микросхемы выполняются на комплиментарных (К) полевых транзисторах с изолированным затвором (О или Д) и встроенным или индуцируемым каналом (П). (повторить «Выходные Безтрансформаторные каскады»).

Микросхемы КМОП имеют:

1) наименьшую потребляемую мощность;

2)самую высокую помехоустойчивость;

3) работоспособность сохраняется в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 вольт;

4) высокая нагрузочная способность;

5) малая генерация помех;

6) самое низкое быстродействие.

Примеры серии: К176, К561, К564, К565, К568, К801 и т.д.

6.Особенность микросхем И²Л

Структура проводимости и схема базового логического элемента И²Л показана на рисунке 53 и 54.

Эти микросхемы называют с интегральной инжекционной логикой т.к. в кристалле совмещены б₁ и э₂; б₂ и к₁ – поэтому называют интегральной логикой.

VT1 выполняет роль инжектора тока. При работе схемы I₀=const, величина тока не меняется, меняется его направление.

Например X=0, вход соединен с общей точкой, I₀ проходит К1→входная цепь, VT2 закрыт, на свободных коллекторах самый большой «+». Y₁ = Y₂ = Y₃ = 1. Если на входе 1, значит вход соединен с «+» питания с резистором 1 кОм, следовательно, VT2 открыт, I₀ проходит к₁-б₂-э₂, на свободных коллекторах наименьшее напряжение = 0. Y₁ = Y₂ = Y₃ = 0. Выполняется логическая функция 3НЕ.

VT1 всегда открыт и может служить инжектором для нескольких подобных цепей.

Особенность микросхем И²Л:

1 I₀=const обеспечивает довольно хорошее быстродействие микросхем И²Л;

2 низкое напряжение питания, малая потребляемая мощность;

3 высокая степень интеграции за счет объединения (совмещения) областей транзисторов позволяет реализовать БИС и СБИС;

4 малая генерация помех;

5 низкая помехоустойчивость;

6 невозможность непосредственного сопряжения с другими типами логик.