Характеристики и параметры логических элементов

В настоящее время при разработке интегральных схем (ИС) наибольшее распространение получили следующие типы логических элементов:

– транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

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

– эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

– интегрально-инжекторная логика (И²Л);

– логика на комплементарных полевых транзисторах (КМОП).

Самыми распространёнными на сегодняшний день являются ИС, реализующие ТТЛ и её разновидности. Интегральные схемы данного типа обладают средним быстродействием и средней потребляемой мощностью.

На рис. 18.2 а – з представлены условно-графические обозначения (УГО) элементов и выполняемые ими функции.

Для определения характеристик и параметров цифровых микросхем рассмотрим логические элементы (ЛЭ) ТТЛ типа. Наибольшее распространение получили элементы с положительной логикой (транзистор типа n-p-n). В положительной логике значению логической «1» ставят в соответствие большее, а значению логического «0» – меньшее значение напряжения или тока. Потенциальный способ представления логического «0» и логической «1» при положительной логике приведен на рис. 18.3:

Рис. 18.2. Элементы цифровой логики:

а – инвертор: ;

б - повторитель: ;

в – логическое сложение (ИЛИ): ;

г – инверсия суммы (ИЛИ-НЕ): ;

д – логическое умножение (И): ;

е – инверсия произведения (И-НЕ):

ж – сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ, неравнозначность): ;

з – .

Рис. 18.3. Представление положительной логики

- уровень логического «0»;

- уровень логической «1»;

.

Динамические характеристики ЛЭ приведены на рис. 18.4:

Рис. 18.4. Динамические характеристики ЛЭ

Время задержки ЛЭ зависит от времени задержки переднего t_З1 и заднего t_З2 фронтов и определяется из выражения t_З = (t_З1+ t_З2).

Нагрузочная способность ЛЭ характеризует его способность получать сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов. Для численной характеристики нагрузочной способности ЛЭ используются два коэффициента:

1. n – коэффициент разветвления – характеризует количество выходов для элементов данной серии, которые могут быть подключены к одному выходу. Для ТТЛ n=10. Нагрузочная способность элемента характеризуется его выходным сопротивлением R_ВЫХ.

2. m – коэффициент объединения – характеризуется количеством входов данного логического элемента (от двух и более).

Различают следующие статические характеристики ПЛЭ:

1. I_ВХ = f(U_ВХ) – входная характеристика элемента, характеризующаяся входным сопротивлением логического элемента. Сопротивление R_ВХразлично при подаче низкого и высокого уровней сигнала обычно при высоком уровне сигнала R_ВХ больше.

2. U_ВЫХ = f(I_ВЫХ) – нагрузочная (выходная) характеристика (рис. 18.5). Её угол наклона определяется выходным сопротивлением ЛЭ.

3. U_ВЫХ = f(U_ВХ) – переходная характеристика, или амплитудная передаточная характеристика ЛЭ. Амплитудная передаточная характеристика инвертирующего ЛЭ ТТЛ-типа с положительной логикой приведена на рис. 18.6, а, неинвертирующего ЛЭ – на рис. 18.6, б.

Рис. 18.5. Нагрузочная характеристика ЛЭ

а) б)

Рис. 18.6. Амплитудная передаточная характеристика инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) ПЛЭ ТТЛ-типа с положительной логикой

Логическая «1» соответствует уровням от E¹_МИН до .

Логический «0» соответствует уровням от до E⁰_МАКС.

Участок АВ – соответствует зоне отсечки ключа, CD – насыщению, ВС – переходная область (активный режим, ). Чем круче участок ВС, тем выше качество ЛЭ.

Пороговый уровень нуля на входе U_П0 характеризует максимально возможный входной сигнал (U_ВХ>U_П0), а пороговый уровень «1» – U_П1 характеризует минимальный входной сигнал (U_ВХ>U_П1).

Термин помехоустойчивость используется для обозначения максимального уровня помехи, которая, будучи добавлена к логическому сигналу при самых неблагоприятных условиях, не будет еще приводить к ошибочной работе схемы. Так, например, для элементов ТТЛ помехоустойчивость составляет 0,4 В, так как любой сигнал ниже 0,8 В интерпретируется ими как НИЗКИЙ уровень, а любой сигнал выше +2 В – как ВЫСОКИЙ, в то время как уровни выходных сигналов составляют в самом неблагоприятном случае +0,4 и +2,4 В соответственно. В действительности помехоустойчивость этих схем значительно выше приведенной величины, поскольку типичные значения ВЫСОКОГО и НИЗКОГО напряжений составляют +0,2 и 3,4 В, а входной порог принятия решения равен приблизительно 1,3 В. Однако необходимо помнить, что хорошая схема должна быть рассчитана на самый неблагоприятный случай. Не следует также забывать о том, что различные семейства логических элементов обладают различной помехоустойчивостью. Так, элементы типа КМОП имеют более высокую по сравнению с ТТЛ помехоустойчивость, а быстродействующие элементы ЭСЛ – более низкую.

Помехоустойчивость ЛЭ при передаче «0» на входе ΔU_П0 определяется выражением с учётом наихудшего случая: ΔU_П0=U_П0–E⁰_МАКС, где E⁰_МАКС – максимальный уровень «0» элементов данной серии (рис.18.7).

Рис. 18.7. Помехоустойчивость ЛЭ

Помехоустойчивость ЛЭ при передаче «1» определяется аналогично: ΔU_П1 = E¹_МИН – U_П1.

Помехоустойчивость ЛЭ определяет максимально возможное значение аддитивной помехи на входе ЛЭ, которое не приводит к переключению элемента в другое состояние (или неопределённое). Помехоустойчивости ΔU_П0 и ΔU_П1 различны, имеют значения порядка от долей до 1В для ТТЛ ЛЭ.

Повышение запаса помехоустойчивости достигается увеличением транзисторов. Чем больше значение транзисторов, тем выше крутизна характеристики. Точки располагаются: D – левее, C – правее, отсюда больший запас помехоустойчивости при передаче «0», и аналогично при передаче «1».

Быстродействие ЛЭ серий ИС ТТЛ в основном определяется инерционными свойствами применяемых биполярных транзисторов и нагрузки. Инерционность, обусловленная параметрами нагрузки, зависит от конкретной схемы и конструктивного выполнения логического устройства. Инерционность, связанная с собственно частотными свойствами ЛЭ, может быть уменьшена изменением схемотехники и режимов работы самого элемента. Основными причинами инерционности транзисторных ключей на биполярных транзисторах являются перезаряд его коллекторной ёмкости и время рассасывания. Эти параметры определяются как технологией изготовления транзисторов, так и режимами их работы в ключевой схеме. В частности, уменьшение длительностей переключения, обусловленных перезарядом коллекторной ёмкости при её неизменном значении, можно добиться уменьшением сопротивления коллекторной нагрузки.

Характеристики и параметры логических элементов зависит от того, какие электронные приборы являются основными в соответствующих интегральных схемах, а также от особенностей схемотехнических решений. Выделяемые классы логических элементов перечислялись ранее.

В таблице 18.1 приведено сравнение элементов различных логик по основным параметрам по возрастающей семибальной шкале (от 7 до 1).

Из всех логических элементов наибольшее быстродействие имеют элементы ЭСЛ, а элементы КМОП имеют наименьшее потребление, причем они же имеют лучшую нагрузочную способность. Для выбора типа микросхемы при построении электронного устройства обычно вначале определяют, какой из перечисленных в таблице параметров имеет наибольшее значение. Затем определяют следующий по значимости параметр и т. д. В зависимости от заданных приоритетов и выбирается тот или иной тип микросхемы.

Таблица 18.1

Сравнение элементов различных логик по основным параметрам

В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП. В современных устройствах всё чаще используются КМОП-логику.

Приведённая классификация охватывает не только логические элементы, но и другие цифровые устройства. Все они выпускаются в составе серий микросхем. Серия микросхем − это совокупность микросхем, характеризуемых общим технологическими и схемотехническими решениями.

18.3. Транзисторно−транзисторная логика (ТТЛ)

Характерной особенностью ТТЛ являются многоэмиттерные транзисторы. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзистор может моделироваться схемой на диодах (пунктир на рис. 18.8), в этом случае он работает как схема диодно-транзисторной логики И-НЕ.

Рис. 18.8. Схема ТТЛ-элемента с простым инвертором, выполняющая логическую операцию И-НЕ

К достоинствам ТТЛ-логики можно отнести: высокое быстродействие (10 нс), надежность, радиационную стойкость.

Недостатками являются: наличие резисторов, большая площадь на кристалле, большая потребляемая мощность, наличие паразитных транзисторов.

Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения, то ток базы транзистора VT₂ будет равен нулю, и на коллекторе транзистора VT₂ будет высокий уровень напряжения. Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу VT₂ транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе транзистора VT₂ будет низкий уровень напряжения, т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ.

Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И-НЕ, и сложный инвертор (рис. 18.9).

Рис. 18.9. Базовый элемент ТТЛ со сложным инвертором, выполняющий логическую операцию И-НЕ

Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор VT₂ закрыт, а, следовательно, закрыт и транзистор VT₄, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор VT₂ открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора VT₄ и запиранию транзистора VT₃, т. е. реализуется функция И-НЕ.

Элементы с тремя состояниями и с открытым коллектором. Вентили ТТЛ и КМОП имеют двухтактные выходные схемы: ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ уровень подается на выход через открытый биполярный или МОП-транзистор. Такую схему, которая носит название активной нагрузки, а в ТТЛ называется также столбовым выходом, используют почти все логические элементы. Эта схема обеспечивает низкое выходное сопротивление в обоих состояниях, имеет малое время переключения и обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с одиночным транзистором, который использует в качестве коллекторной нагрузки пассивный резистор.

В случае КМОП применение активного выхода, помимо всего прочего, позволяет понизить рассеиваемую мощность. Однако существует ряд ситуаций, при которых активный выход, оказывается неудобным.

В качестве примера представим себе вычислительную систему, в которой должны обмениваться данными несколько функциональных блоков. Центральный процессор (ЦП), память, а также различные периферийные устройства должны иметь возможность передавать и принимать 16-разрядные слова, и было бы, мягко говоря, неудобно использовать для соединения каждого устройства с каждым индивидуальный 16-жильный кабель.

Для решения этой проблемы используется так называемая шина (или магистраль) данных (data bus), т. е. один 16-жильный кабель, доступный для всех устройств. Такая структура аналогична телефонному каналу коллективного пользования: в каждый момент времени «говорить» («передавать данные») может только одно устройство, а остальные могут только «слушать» («принимать данные»). При использовании шинной системы необходимо иметь соглашение о том, кому разрешено «говорить». В связи с этим употребляются такие термины, как «арбитр шины», «ведущее устройство» и «устройство управления шиной».

Для возбуждения шины нельзя использовать вентили (или другие схемы) с активным выходом, поскольку их нельзя отключить от общих информационных линий (в любой момент времени выходы устройств, подключенные к шине, будут находиться в состоянии ВЫСОКОГО или НИЗКОГО уровня). Для этого случая необходим вентиль, выход которого может находиться в «обрыве», т. е. быть «открытым». Такие устройства выпускаются промышленностью и имеют две разновидности, которые носят названия «элементов с тремя состояниями» и «элементов с открытым коллектором». Начнем с рассмотрения последних, подразумевая, что все сказанное применимо также и к элементам с тремя состояниями.

В выходной схеме вентиля с открытым коллектором отсутствует транзистор, являющийся активной нагрузкой (рис. 18.10).

Рис. 18.10. ТТЛ вентиль с открытым коллектором

При использовании таких элементов внешний нагрузочный резистор можно подключить к любому источнику. Величина этого резистора не является критичной: при малых значениях резистора обеспечиваются повышенные быстродействия и помехоустойчивость, однако повышаются рассеиваемая мощность и нагрузочный ток выходного каскада. Для ТТЛ типичные значения лежат в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч Ом. Как мы вскоре покажем, все, что далее будет говориться о вентилях с открытым коллектором, относится также и к вентилям с тремя состояниями.

Иногда возникает необходимость логического объединения выходов очень большого числа элементов. Например, для объединения 20 выходов потребовалось бы использовать логический элемент с 20 входами и вести к нему 20 отдельных проводов. Этого можно избежать, используя логические элементы с открытым коллектором. В качестве выходного каскада они содержат, как показано на рисунке 18.10, n-р-n-транзистор, эмиттер которого соединен с общей точкой. Выходы таких систем, в отличие от обычно используемых двухтактных выходных каскадов, могут подключаться к одному общему коллекторному резистору параллельно друг другу.

Выходное напряжение имеет высокий уровень только тогда, когда все выходные транзисторы элементов заперты, следовательно, здесь реализуется функция ИЛИ. Так как логическая связь организуется с помощью внешнего монтажа, такое соединение условно называется «монтажное ИЛИ».

Другим применением схем с открытым коллектором является управление внешней нагрузкой, которая должна подключаться к источнику положительного напряжения, превышающего напряжение питания ИМС. Может, частности, потребоваться включить маломощную 12-вольтовую лампочку или сформировать перепад логических уровней напряжения 15 В с помощью резистора, установленного между выходом вентиля и источником +15 В (рис. 18.12).

Рисунок 18.11 Реализация функции «монтажное ИЛИ»

Однако такая схема имеет существенный недостаток: переход в высокоомное (единичное) состояние из-за паразитных емкостей происходит всегда медленнее, чем в низкоомное (нулевое). Поэтому вместо элементов с открытым коллектором лучше использовать элементы с трехстабильным выходом. Они содержат обычный двухтактный выходной каскад, который, однако, может быть переведен в особое высокоомноесостояние (высокоимпедансное состояние или обрыв). Для управления выходным каскадом служит специальный вывод – разрешение выдачи данных.

Рис. 18.12. Подключение вентиля с открытым коллектором к источнику 15В

Соответствующая схема ТТЛ представлена на рис. 18.13.

Рис. 18.13. Трехстабильный ТТЛ вентиль

Если уровень управляющего напряжения U_E низкий, запираются обатранзистора и . При высоком уровне U_E получим обычную логическую связь И-НЕ между входными сигналами и . Аналогичным образом можно перевести в высокоомное (безразличное) состояние и трехстабильный элемент КМОП.

18.4. Транзисторно−транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки). Скорость переключения транзистора определяется в основном временем рассасывания накопленных зарядов. Для повышения максимальной частоты переключений необходимо предотвратить насыщение транзистора. Благодаря этому накопление заряда исключается.

Один из способов устранения насыщения состоит в том, что параллельно переходу коллектор-база транзистора включается диод Шоттки (рисунок 18.14). В случае открытого транзистора он из-за действия отрицательной обратной связи по напряжению препятствует снижению напряжения между коллектором и эмиттером ниже уровня, равного приблизительно 0,3 В. Эта структура используется в схемах ТТЛ с диодами Шоттки. Благодаря этой структуре, время задержки распространения сигнала уменьшается почти в три раза.

Рис. 18.14. Транзистор с диодом Шоттки и соответствующее схемное обозначение

Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серииК555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 18.15 изображена схема этого элемента.

Рис. 18.15. Схема базового логического элемента ТТЛШ

Если оба входных напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2 имеют высокий уровень, то диоды VD₃ и VD₄ закрыты, транзисторы VT₁, VT₅ открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT₁, VT₅ закрыты, а транзисторы VT₃, VT₄ открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT₃, VT₄ образуют так называемый составной транзистор (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

- напряжение питания +5 В;

- выходное напряжение низкого уровня – не более 0,4В;

- выходное напряжение высокого уровня – не менее 2,5В;

- помехоустойчивость – не менее 0,3 В;

- среднее время задержки распространения сигнала – 20 нс;

- максимальная рабочая частота – 25 МГц.

Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и напряжению питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ. К тому же они значительно меньших размеров, что уменьшает емкости их p-n-переходов. Мощность, потребляемая ими, в 4 – 10 раз меньше.