4.6. ЭЛЕМЕНТЫ ЭМИТТЕРНО-СВЯЗАННОЙ ЛОГИКИ

Цифровые элементы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) основаны на переключателях тока и отличаются от других типов ИМС наибольшим быстродействием и большой потребляемой мощностью. Большов быстродействие ЭСЛ-элементов обусловлено тем, что биполярные транзисторы в этих схемах работают без насыщения, т. е. могут находиться либо в активном режиме, либо в режиме отсечки. Вторым важным фактором, обеспечивающим увеличение быстродействия, является использование в элементах низкоомных резисторов, обеспечивающих быстрый перезаряд паразитных емкостей, но ценой увеличения потребляемой энергии, снижения перепада логических сигналов, а значит, и помехоустойчивости ЭСЛ-элементов. Схемным средством увеличения быстродействия является использование на выходах эмиттерных повторителей, обеспечивающих перезаряд емкостей в цепях нагрузки через малые выходные сопротивления. Одновременно улучшается и статическая нагрузочная способность

Основой ЭСЛ-элемента является переключатель тока на двух транзисторах с эмиттерной связью (рис. 4.34) и двумя фазоинверсными выходами .

Структурно такая схема ставляет собой мост, к одной из диагоналей которого через тока приложено питающее напряжение q другой диагонали (коллекторы транзисторов ) нмается выходной сигнал. На базу транзистора подан постоянный потенциал от источника опорного напряжения. Если и на базу транзистора подан потенциал при параметров транзисторов мост уравновешен, т. е. этом случае оба транзистора находятся в активном режиме и представляют собой транзисторный усилительный каскад с эмиттерной связью и симметричным (фазоииверсным) выходом. В цифровой схемотехнике такой каскад используется в переклю

чательном режиме. Для этого опорное напряжение выбирается из соотношения логических уровней управляющего сигнала

Рис. 4.34.

На диаграммах рис. показаны зависимости токов коллекторов и потенциалов на коллекторах от управляющего напряжения Если на вход подай низкий уровень , то транзистор заперт, в активном режиме и через него и резистор замыкается ток . На выходах устанавливаются потенциалы:

При подаче на вход сигнала высокого уровня транзистор VT1 переключается в активный режим и через него протекает ток , а транзистор переходит в режим отсечки, на выходах переключателя тока устанавливаются уровни:

В результате на выходе противофазный, а на синфазный выходные сигналы. При этом коллекторные токи в любых состояниях ненасыщенного ключа .

Как видно из диаграмм рис. , уровни входного сигнала принципиально не совпадают с уровнями и «1» выходного сигнала, поэтому для использования таких переключателей тока в цифровых элементах необходимы схемные средства согласования входных и выходных потенциалов.

На рис. 4.35 показана схема базового логического элемента ЭСЛ-типа. Здесь переключатель тока построен на транзисторе и группе параллельно включенных транзисторов VT1 по чисту логических входов ЭСЛ-элемента. Стабилизация общего эмиттерного тока транзисторов осуществляется высокоомным резистором Опорное напряжение определяется резистивным делителем напряжения и через эмиттерный повторитель на транзисторе подается на базу

Рис. 4.35.

транзистора . Для температурной компенсации напряжения в базовой цепи транзистора включены диоды . Эмиттерные повторители на выходах ЭСЛ-элемента (транзисторы ) обеспечивают усиление выходного сигнала по мощности и согласование уровней входных и выходных сигналов, снижая уровни сигналов на выходах ЭСЛ-элемента на величину 0,7 В ниже, чем потенциалы коллекторов транзисторов . Эмиттерные резисторы подключаются в случае необходимости внешней перемычкой. Это дает возможность объединять выходы нескольких ЭСЛ-элементов в «монтажное ИЛИ» на одном общем резисторе . Резисторы предназначены для надежного запирания транзисторов на неиспользованных входах. Для улучшения помехозащищенности элемента обычно разделяют шины «земля» так, что к одной шине подключены внутренние логические элементы, а к другой — эмиттерные повторители. В этом случае импульсные помехи в мощных цепях эмиттерных повторителей не влияют на режим работы переключателя тока.

Принцип работы базового ЭСЛ-элемента основан на работе переключателя тока на транзисторах . Вследствие иеидеальности источника тока уровень некоторой степени зависит от величины доминирующего входного напряжения

При напряжении питания в системе положительной логики «логических 0 и выбираются соответственно . Согласно выражению (4.33) опорное напряжение устанавливается на уровне . Если на входы элемента подано напряжение «логического 0» , то все транзисторы VT1 закрыты, так как потенциал эмиттера и положительное смещение недостаточно отпирания кремниевого транзистора. На выходе элемента станавливается уровень «логической-1» , обусловленный протеканием через резистор тепловых токов входных транзисторов и тока базы транзистора с учетом падения напряжения на эмиттер ном переходе:

Одновременно выходе устанавливается уровень «логического 0», так как общий эмиттерный ток протекает через открытый транзистор :

где .

Если сопротивление резисторов выбирается из условия обеспечения требуемого быстродействия, то сопротивление выбирается так, чтобы обеспечить напряжение «логического 0» .

Если хотя бы на один вход элемента подан высокий уровень, т. е. , открывается соответствующий транзистор и весь эмиттерный ток замыкается через него. Транзистор переходит в режим отсечки, так как на общем эмиттере устанавливается потенциал

Сответсвенно на выходе устанавливается низкий уровень

а на выходе - высокий уровень:

На выходе сигнал формируется инверсным, а на выходе сигнала по отношению к доминирующему входному сигналу.

Таким образом, реализуются логические функции выходов:

На рис. показано услоьное графическое изображение базового элемента.

Рассмотрим статические характеристики базового элемента. Входная характеристика по входу (рис. 4.36,а) снимается при условии, что остальные входы отключены.

На входной характеристике можно выделить четыре характерные области: — входной транзистор заперт, его вход, ное сопротивление максимально и наклон характеристики определяется сопротивлением резистора (рис. ) в цепи — область перехода входного транзистора из режима отсечки в активный при входном напряжении, близком к опорному соответственно траизисгор переключается из активного режима в режим отсечки, но благодаря эмиттерной связи входное сопротивление мало и входной ток быстро нарастает; III входной транзистор VT1 в активном режиме, а транзистор заперт, поэтому входное сопротивление схемы велико

и входной ток нарастает медленно за счет тока резистора и роста потенциала общего эмиттера IV — входной транзистор находится в режиме насыщения, его входное сопротивление

мало по сравнению с , поэтому входной ток вновь быстро нарастает. Поскольку входные сигналы соизмеримы с напряжениями на открытом -переходе, входные характеристики существенно зависят от температуры окружающей среды и колебаний напряжения источника питания (рис. ).

Передаточные характеристики элемент по двум его выходам (рис. 4.37, а) содержат те же четыре области. При этом выходные напояжения со смещением на приблизительно постоянную величину повторяют изменения потенциалов на коллгкторах транзисторов . Наклоны характеристик в области II определяются коэффициентами усиления каскада с эмиттерной связью:

Рис. 4.36.

где — входное сопротивление транзисторов в схеме с общим эмиттером, — коэффициенты передачи напряжения эииттерных повторителей на транзисторах .

Обычно и в пределах области II заметно изменяется.

Наклон характеристик в области III определяется коэффициентом передачи

причем . В области IV входной транзистор насыщен, поэтому входное напряжение поступает непосредственно на базу транзистора эмиттерного повторителя и через него с коэффициентом передачи — на выход.

Рис. 4.37.

График зависимости потенциала общего эмиттера от входного сигнала вместе с перодаточными характеристиками позволяет проанализировать — эмиттер каждого транзисторов

Уровни выходного напряжения , как следует из влраженин (4.34), (4.36), не зависят от величины напряжения питания но зависят от температуры окружающей среды. Обратный ток коллектора растет с ростом температуры по экспоненциальному закону, а напряжение на открытом эмиттерном переходе уменьшается по линейному закону (на ), поэтому их взаимная компенсация в выражениях (4.34), . Поскольку сопротивления имеют порядок сотен ом , в диапазоне рабочих температур влияние температурных изменений токов значительно слабее и в основном температурный дрейф высоких уровней условлен изменениями напряжений . Поэтому с ростом температуры уровни . Растут практически по линейному закону.

Аналогично зависят от температуры и низкие уровни согласно выражению (4.35), где первое слагаемое определяется термокомпенсированным (диоды ) током эмиттера . Таким образом, перепады выходного напряжения ЭСЛ-элемента — практически не зависят от температуры. Однако они зависят от напряжения источника питания — (рис. 4.37, б), так как от него зависит опорное напряжение

Выходные характеристики ЭСЛ-элемента при (рис. ) по существу поедставляют собой выходные характеристики эмиттерных повторителей на транзисторах (см. рис. 4.35,а) при двух значениях потенциалов на их базах (рис. 4.38,а).

Рис. 4.38.

Вид выходной характеристики зависит от того, подключен ли резистор в эмнттерную цепь (характеристики или эмиттер свободен (характеристики 2, 4) (рис. ). Характеристики низкого уровня выходного напряжения (1, 2) формируются при потенциале на базе выходного транзистора , а характеристики высокого уровня (3,4) — при . На характеристиках можно выделить характерные области: — выходной транзистор заперт, выходное сопротивление велико: и выходной ток

где — обратный ток эмиттерного перехода. В частности, при отключенном резисторе II — выходной траизистор в активном режиме, выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало:

где — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Соответственно выходной ток

где - выходное напряжение холостого хода, которое в зависимости от состояния элемента принимает значения низкого или высокого уровня.

Колебания температуры окружающей среды и напряжения источника питания обусловливает смещение выходных характеристик в соответствии с изменениями передаточной характеристики. Поэтому выходная характеристика для высокого уровня

Рис. 4.39.

выходного сигнала не зависит от напряжения питания, тогда как характеристика низкого уровня смещается по оси напряжений пропорционально приращению напряжения (рис. 4.38,в) [61].

Переходные процессы в ЭСЛ-элементе при подаче на его вход импульса возбуждения (рис. ) могут быть сведены к перезаряду эквивалентной коллекторной емкости соответствующего транзистора переключателя тока и эквивалентной емкости нагрузки на выходе эмиттерных повторителей (рис. ). При формировании положительного фронта выходного сигнала происходит заряд емкости нагрузки через малое выходное сопротивление (4.37) эмиттерного повторителя с учетам сопротивления нагрузки. Отрицательный фронт соответствует разряду конденсатора через резисторы R и при зчпертом эмиттерном переходе повторителя, поэтому длительность разряда больше. Длительность фронтов выходных сигналов по уровням 0,1 и 0,9 амплитуды выходного сигнала определяются соотношениями [60]:

Длительности задержки распространения сигнала слабо зависят от температуры и наиболее существенно зависят от емкости нагрузки (рис. 4.39, в).

Из схемных модификаций ЭСЛ-элементов следует отметить схему с повышенной стабильностью опорного напряжения и переключаемого тока (рис. 4.40).

Рис. 4.40.

Рис. 4.41.

Включение транзистора VT6 в эмиттерную цепь обеспечивает постоянство тока независимо от величины входного сигнала, поэтому передаточная характеристика (см. рис. ) в области практически горизонтальна. Для температурной стабилизации опорного напряжения используется группа диодов и диод . Стабильность разности логических уровней обеспечивается диодно-резистивным ограничителем .

Рис. 4.42.

В схемах -элементов (рис. 4.41) согласование уровней сигналов перенесено с выходов на вход, представляющий собой -входовый эмиттерный повторитель. Быстродействие -элемента выше, так как входная емкость каскада с общим коллектором меньше, чем каскада с общим эмиттером. Эквивалентная емкость коллектора инвертирующего транзистора также меньше и не зависит от числа входов. Выходное сопротивление -элемента Явых больше, чем у ЭСЛ-элементов, но коэффициент разветвления не уменьшается, так как входные сопротивления нагружающих элементов больше. Высокий уровень логического сигнала практически равен потенциалу «земли», благодаря чему уменьшается влияние помех и облегчается стыковка с логическими элементами ДТЛ- и ТТЛ-типа.

В табл. 4.3 приведены классификационные параметры . олее распространенных комбинационных логических ЭСЛ-элементов которые вместе с приведенными на рис. элементов d стандартных корпусах позволяют произвести предварительный выбор микросхем.

Таблица 4.3