4.2. ТИПЫ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ

Логические ИМС выпускаются промышленностью в виде серий (наборов) элементов, которые обеспечивают выполнение множества логических функций, при этом обеспечивают хорошие условия согласования выхода логической ИМС со входом другой логической ИМС той же серии. В основу каждой серии кладется схемное решение основного логического элемента, на основе которого создаются более сложные схемы.

В качестве основных чаще всего выбираются элементы ИЛИ—НЕ и в особенности И—НЕ. Обозначения этих элементов приведены на рис. 4.4, а (элемент ИЛИ—НЕ) и б (элемент И—НЕ). Таблицы истинности элементов ИЛИ—НЕ, И—НЕ представлены в табл. 4.4 и 4.5.

Рис. 4.4. Логические элементы ИЛИ—НЕ (а), И—НЕ (б)

Рис. 4.5. Логический элемент И—НЕ ТТЛ-логики

Таблица 4.4. Таблица истинности элемента ИЛИ—НЕ

Таблица 4.5. Таблица истинности элемента И—НЕ

Сравним табл. 4.2 и 4.4, а также 4.3 и 4.5. Мы убеждаемся, что значения функции F в этих таблицах инверсны, т. е. выходная функция элемента подвергнута операции НЕ. Как показано в § 4.4, на одном только виде логических элементов И—НЕ (либо ИЛИ—НЕ) можно построить любое логическое и цифровое устройство.

Элементы И—НЕ (либо ИЛИ—НЕ) можно выполнить в виде различных схем. Рассмотрим основные типы логики.

1. Транзисторно-транзисторная логика (логика ТТЛ-типа). Схема трехвходового элемента И—НЕ приведена на рис. 4.5. В нем использован на входе полупроводниковый прибор — многоэмиттерный транзистор V1. Транзисторы V1 и V2 образуют схему И—НЕ, на транзисторах собран неинвертирующий выходной каскад, служащий для усиления мощности выходного сигнала.

При 1 на всех входах (А=В=С=1) все эмиттерные переходы транзистора смещены в обратном направлении и не пропускают ток.

Через резистор и коллекторный переход транзистора , смещенный в прямом направлении, в базу транзистора поступает ток, достаточный для насыщения . Напряжение на коллекторе близко к нулю (сигнал 0). При подаче хотя бы на один вход транзистора нулевого потенциала (сигнал 0) соответствующий эмиттерный переход V1 сместится в прямом направлении. Ток от резистора R1 устремится во входную цепь, обладающую меньшим сопротивлением, чем входное сопротивление транзистора 112. В результате ток базы V2 спадает к нулю, транзистор запирается, на его коллекторе устанавливается высокий потенциал, близкий (сигнал 1) (сравните с табл. 4.4).

При сигнале 0 на коллекторе транзистора , который находится в открытом состоянии, часть эмиттериого тока поступает в базу транзистора и насыщает его. Низкое напряжение на коллекторе поддерживает запертое состояние транзистора . Таким образом, на выходе логического элемента имеется сигнал 0 (малое падение напряжения на открытом транзисторе ).

При сигнале 1 на коллекторе транзистора этот транзистор заперт, при этом прекращается ток базы транзистора , который также запирается. Высокое напряжение на коллекторе вызывает нааыщение транзистора . В результате на выходе логического элемента появляется сигнал 1.

Наряду со схемой 4.5 выпускается схема рис. 4.6 с открытым коллекторным выходом. В коллекторную цепь транзистора V4 может быть включен индикаторный элемент, реле или другая внешняя нагрузка, второй вывод которой соединяется с положительным полюсом источника питания.

Рис. 4.6. Логический элемент И—НЕ ТТЛ-логики с открытым коллекторным выходом

Рис. 4.7. Логический элемент ИЛИ—НЕ МДП-логики

Пунктиром на рис. 4.6 показано подключение к элементу резистора R, связанного с другим источником питания, что позволяет осуществлять связь различных частей схемы, работающих от различных источников питания при разных уровнях напряжения.

Элементы -логики в настоящее время получили наибольшее распространение благодаря низкой стоимости, сравнительно хорошим быстродействием, нагрузочной способности и помехоустойчивости.

2. МДП-логика. В основе этого типа логических схем лежит использование полевых транзисторов МДП-типа с индуцированным каналом. Высокое входное сопротивление полевых транзисторов позволяет уменьшить потребление мощности от источника логического сигнала. Стоимость МДП-схем низка, логический элемент занимает на поверхности кремния малую площадь, что позволяет использовать его в ИМС с высоким коэффициентом интеграции. По быстродействию МДП-логика уступает схемам ТТЛ-типа.

Использование полевых транзисторов с разными типами проводимости (каналы и -типов) позволяет до предела снизить мощность, потребляемую от источника питания, что особенно привлекательно в переносной аппаратуре, питающейся от маломощных батарей.

Схема трехвходового элемента ИЛИ—НЕ на комплекте полевых транзисторов разного типа проводимости приведена на рис. 4.7. При сигналах 0 на входе транзисторы V1—V3 закрыты, а транзисторы V4—V6 открыты, за счет этого ЭДС на выходе близка (сигнал 1). Ток от источника питания практически не потребляется, так как заперты транзисторы V1—V3.

При подаче 1 на один из входов (например, на затворы V1 и V4) транзистор V1 открывается, а транзистор V4 запирается, в результате на выходе имеется низкое напряжение открытого транзистора V1 (сигнал 0). Ток от источника питания практически не потребляется, так как заперт один из транзисторов V4—V6.

Наряду с элементами ТТЛ- и МДП-типа получили распространение элементы с повышенным быстродействием, это элементы на транзисторах с диодами Шоттки (ТТЛШ-логика) и схемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Недостатками этих элементов являются большая стоимость, большая потребляемая мощность и нагрев элементов при их работе; в схемах ЭСЛ-логики меньшая помехоустойчивость.

Названными элементами не исчерпываются типы логических схем, появляются новые приборы, совершенствуются известные схемные решения.

Однако этот процесс не меняет подхода к проектированию цифровых и логических узлов.

Разработчик аппаратуры на . ИМС не занимается анализом физических процессов в схеме. В подавляющем большинстве случаев достаточно грамотно использовать параметры ИМС, приводимые в справочной , при этом внутреннее устройство логического элемента может не рассматриваться.

Рассмотрим основные параметры логических ИМС:

Рпот — мощность, потребляемая ИМС от источника питания;

— предельный входной ток при сигнале 0 на входе;

— предельный входной ток при сигнале 1 на входе;

, — минимальное выходное напряжение при логической 1 на выходе;

— максимальное выходное напряжение при сигнале 0 на выходе;

— коэффициент разветвления, показывает, сколько ИМС той же серии можно подключить к выходу элемента;

— коэффициент объединения входов, показывает количество входов (например, элемент имеет два входа, , а элемент восемь, т.е. ); .

— максимальное допустимое напряжение помехи, которое не вызывает ложных срабатываний элемента;

— параметры, характеризующие задержку при элемента из состояния 0 в 1 и наоборот (их значение пояснено на рис. 4.8, где показаны входное и выходное напряжения элемента , на остальных входах которого поддерживается сигнал 1).

Рис. 4.8. К определению параметров и ИМС

Логические схемы являются разновидностью импульсных устройств. Их особенностью является то, что они функционируют только при прямоугольных импульсах, амплитуда которых поддерживается выше .

В паузах между импульсами потенциал не должен превышать .

В отличие от схем, рассмотренных в гл. 3, в цифровых и логических устройствах нас интересуют не физические параметры электрических импульсов, а лишь их логическое значение, т. е. наличие потенциала или его отсутствие . Эта особенность обусловливает специфику методов анализа и синтеза логических и цифровых устройств, основанных на логической алгебре. Поэтому при изучения цифровых и логических устройств мы не столько продолжаем знакомство с импульсной техникой, сколько входим в мир новых понятий, которые порой весьма далеко отстоят от электротехнических. Не будем все же забывать, что речь идет об электрических цепях с полупроводниковыми элементами и основные положения, рассмотренные нами в гл. 2 и 3, сохраняют свою силу и при работе цифровых и логических устройств.