Глава 8. КОМПОНЕНТЫ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

8.1. КОМПОНЕНТЫ СОГЛАСОВАНИЯ УРОВНЕЙ СИГНАЛОВ

Устройства цифровой схемотехники помимо логических комбинационных и последовательных компонентов и функциональных узлов содержат значительное количество вспомогательных компонентов, без которых невозможно создание законченных радиоэлектронных средств. К ним относятся всевозможные схемы генерирования, формирования, преобразования импульсных сигналов, средства отображения цифровой информации, устройства электрического согласования функциональных узлов, выполненных на различной технологической основе и питаемых отличающимися по величине и знаку напряжениями, средства защиты блоков и устройств от внешних и внутренних электрических помех и т. д.

Таблица 8.1

Для согласования логических уровней сигналов между цифровыми блоками, в которых использованы логические элементы, отличающиеся уровнями напряжения сигналов, входными и выходными сопротивлениями, служат преобразователи уровней (ПУ). В табл. 8.1 приведен состав ПУ для согласования уровнен логических элементов на основе широко используемых технологий: ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, -МДП, КМДП, ЭСЛ, На вход ПУ поступают логические уровни в стандарте I, а на выходе необходимо обеспечить логические уровни в стандарте . Тип соответствующего ПУ обозначим согласно табл. . Логические элементы типа ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, которые имеют однотипные электрические характеристики, стандарты питающих напряжений и уровней логических сигналов, относятся к одному классу ТТЛ. Параметры ИМС основных технологий приведены в табл. 8.2.

Широкую номенклатуру ПУ можно существенно уменьшить, если все преобразования осуществлять через некоторый промежуточный стандарт, в качестве которого чаще всего используют стандарт ТТЛ.

Таблица 8.2

При этом вместо 20 типов ПУ (табл. 8.1) требуется лишь 8 для преобразователей сигналов ТТЛ в другие 4 типа и для обратного преобразования.

Рис. 8.1.

Преобразователи уровней сигналов ТТЛ и МДП (рис. ). Транзистор работает в ключевом режиме. Входная цепь рассчитана так, чтобы выполнялись следующие условия: уровень ТТЛ должен обеспечить режим насыщения транзистора при минимально допустимом значении коэффициента усиления тока ; уровень ТТЛ должен обеспечить режим отсечки транзистора при максимальной температуре окружающей среды; входной ток не должен превышать ТТЛ.

Данные условия выполняются, если справедливы соотношения:

где — пороговое напряжение биполярного транзистора.

Из соотношений (8.1) и (8.2) находят требуемые сопротивления резисторов относительно выбранного из условия согласования с нагрузкой резистора :

где - коэффициент насыщения транзистора.

Полученные из формулы (8.4) значения должны удовлетворять условию (8.3). В противном случае необходимо увеличить , уменьшить S или выбрать транзистор с ббльшим коэффициентом и повторить вычисления по формуле (8.4).

В результате на выходе формируются уровни и 0. Быстродействие определяется частотными свойствами транзистора VT1, работающего в режиме насыщения. Введение нрлинейной обратной связи через диод Шотки VD повышает быстродействие.

Для преобразования уровней ТТЛ к уровням КМДП используют схему (рис. ). Первый каскад на биполярном транзисторе выполняет роль инвертора - усилителя логического перепада ТТЛ до логического перепада КМДП. Второй каскад выполнен в виде ключа на КМДП-транзисторах. Для обеспечения работоспособности необходимо выполнить условия:

Сопротивление резистора выбирают из условия обеспечения требуемого быстродействия : чем больше , тем ниже быстродействие. Если на вход поступает от ИМС ТТЛ уровень , транзистор оказывается запертым, на его коллекторе формируется высокий потенциал который обусловливает отпирание -канального транзистора и запирание -канального транзистора . На выходе устанавливается низкий потенциал 0. При подаче на вход высокого уровня транзистор насыщается, переключается в триодный режим, — в режим отсечки, и на выходе устанавливается высокий уровень

Достоинства схемы на рис. — простота, высокое быстродействие и низкое энергопотребление. К недостаткам следует отнести сочетание в схеме биполярных и униполярных транзисторов, а также низкую помехозащищенность на уровне входного сигнала.

Согласование выходов ТТЛ-элементов со схемами -МДП, -МДП и КМДП удобно выполнять с помощью оптрониой пары (рис. 8.2), управляющей усилителем-инвертором на транзисторе и КМДП-каскадом на транзисторах . Входная цепь такого ПУ имитирует входные характеристики ТТЛ. Если , транзистор и светодиод заперты, поэтому транзисторы также заперты, находится в триодиом режиме. Соответственно напряжение на выходе .

Рис. 8.2.

Для подключения ПУ к ИМС -МДП вывод заземляется, а на вывод подается . При сопряжении ТТЛ с -МДП и КМДП заземляется вывод , а на вывод подается положительное напряжение п. Соответственно смещается уровень выходного напряжения независимо от .

Преобразователи уровней ИМС на основе МДП-транзисторов к уровню ТТЛ различаются видом МДП-схем (-МДП, -МДП, КМДП). Сопряжение уровней ИМС на основе -МДП, КМДП, питаемых напряжением , с ИМС типа ТТЛ можно в простейшем варианте выполнить посредством включения ограничивающего диода VD (рис. 8.3, а). Однако при значительном превышении над существует опасность перегрузки выхода МДП-схемы за счет больших токов через диод VD при передаче логического уровня . Во избежание такой перегрузки вместо диода VD можно в качестве воспользоваться схемой рис. 8.3, б, которая согласует уровни и инвертирует сигнал. Если на затвор транзистора от МДП-схемы поступает сигнал , транзистор запирается и на его стоке устанавливается уровень , соответствующий уровню логической «1» ТТЛ. Высокий уровень на затворе VT1 переключает его в триодиый режим, и на выходе формируется уровень логического «0»

где — зависящее от входного напряжения сопротивление канала транзистора в триодном режиме; — входной ток ТТЛ-схемы при входном напряженни — количество нагрузок ТТЛ.

Для обеспечения допустимого техническими условиями на ТТЛ ИМС уровня необходимо, чтобы определяемое по формуле (8.5) напряжение удовлетворяло условию: . Если сопротивление Ом, то такой можно нагрузить лишь на одну ТТЛ-схему .

Рис. 8.3.

Увеличение нагрузочной способности достигается включением последова гельно с инвертором на МДП-транзисторах простого или сложного инвертора на биполярных транзисторах (рис. 8.3, в). Транзистор в насыщенном состоянии имеет сопротивление и обеспечивает высокую нагрузочную способность схемы ().

Согласование логических уровней р-МДП и ТТЛ-схем осложняется разнополярностью питающих ИМС напряжений. , построенный на -МДП-транзисторах (рис. 8.3,г), содержит буферный усилитель - инвертор на транзисторах и двухтактный оконечный каскад на транзисторах . Работа и параметры буферного усилителя подробно описаны в гл. 4 (см. рис. ). Входной сигнал и выходной буферного усилителя образуют пару противофазных напряжений, управляющих затворами транзисторов оконечного каскада. Если , то , поэтому транзистор заперт, открыт, и на выходе напряжение логического «0» . Входное напряжение отпирает транзистор , а инверсный сигнал запирает транзистор , и на выходе формируется уровень логической «1» .

Для обеспечения режима отсечки транзисторов при необходимо, чтобы они обладали большим пороговым напряжением В.

В схеме на рис. 8.3, д входной инвертор, собранный на МДП-транзисторах , обеспечивает развязку МДП-схемы и оконечного каскада на биполярном транзисторе , имеющего относительно малое входное сопротивление . На резистор подается либо напряжение либо (при В). При биполярный транзистор насыщен током, проходящим через резистор , и выходное напряжение а при формируется соответственно потенциал , который через делитель напряжения обеспечивает режим отсечки транзистора .

Рис. 8.4.

На выходе устанавливается . Таким образом, (рис. 8.3, д) обеспечивает согласование р-МДП-схем и ТТЛ без инверсии логического сигнала.

Преобразователи уровней сигналов ТТЛ и ЭСЛ. К элементам передачи сигналов от ТТЛ-схем к ЭСЛ и от ЭСЛ-схем к ТТЛ предъявляется требование сохранения высокого быстродействия. преобразователи, помимо согласования уровней сигналов и взаимной развязки логических элементов, должны обеспечить минимальную задержку распространения сигналов и не ухудшать помехозащищенность схем ЭСЛ. С учетом этих требовании построены ПУ, входящие в состав серий

В ИМС входит четыре преобразователя уровней, каждый из которых имеет по два входа и два выхода (прямой и инверсный (рис. ). Логическая связь между входами используется для блокировки передачи сигналов от ТТЛ-схем к ЭСЛ. Высокое быстродействие входного каскада достигается использованием транзистора в ненасыщенном режиме. Для улучшения помехозащищенности на уровне логического «0» увеличен порог входной характеристики до .

Перепад напряжения на диоде обеспечивает переключение токового ключа на транзисторах и генератора стабильного тока на транзисторе . Напряжение на диоде изменяется в пределах , а на базу транзистора должно поступать напряжение . Необходимое понижение потенциала обеспечивается падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора , а также на резисторе , через который протекает независящий от входного сигнала ток

где — опорное напряжение переключения тока; — пороговое напряжение диодов .

Рис.

С учетом формулы (8.6) падение напряжения на резисторе . Выходные транзисторы , включенные по схеме с общим коллектором, предназначены для улучшения нагрузочной способности , а также для понижения уровней выходных сигналов до стандарта ЭСЛ. В ИМС все транзисторы работают без насыщения, благодаря чему задержка сигнала схемой сведена к минимуму. Недостаток сложность схемы и высокое энергопотребление.

Существуют модифицированные и упрощенные варианты рассмотренной выше схемы (рис. 8.5). В эмиттере транзистора VT1 вместо диодов включены резисторы , сопротивления которых выбирают так, чтобы обеспечить для двух уровней входного сигнала 0,4 В и 2,4 В требуемые уровни напряжения на базе транзистора .

где - пороговое напряженне входных диодов; — коэффициент усиления по току транзистора .

Схема на рис. 8.5 нормально функционирует, если для потенциалов, определяемых соотношениями (8,7), (8.8), выполняется условие: Недостатком схемы на рис. 8.5 является зависимость напряжения от входного и технологического разброса коэффициента .

Еще более простой вариант показан на рис. 8.6,а. В зависимости от состояния многоэмиттерного транзистора (МЭТ) диод заперт либо открыт. При запертом диоде потенциал базы транзистора и выхода определяется током базы протекающим через резистор ,

где - падения напряжения на эмиттерном переходе и диоде .

Рис. 8.6.

Тогда на выходе формируется потенциал низкого уровня

Переключение МЭТ в инверсный активный режим при запирании эмиттерных переходов высокими уровнями повышает потенциал базы транзистора приблизительно на 0,7 В. Соответственно повышается уровень выходного напряжения до —0,9 В. Недостатки схемы на рис. 8.6,а — большой входной ток из-за малого сопротивления резистора и работа транзистора в режиме, близком к насыщению. Кроме того, данный имеет низкую помехозащищенность.

Схема рис. построена на основе токового ключа на транзисторах , управляемого через диодную оптронную пару . Резисторы выбирают из условия обеспечения необходимого тока через транзистор (в активном режиме) и светодиод . Основной недостаток с оптронной развязкой — большое время задержки сигнала (около 200 нс) из-за инерционности оптронов по сравнению с рассмотренными выше схемами (50 не).

Преобразование логических уровней ИМС гипа ЭСЛ к стандарту ТТЛ выполняет микросхема , содержащая четыре аналогичных (рис. 8.7), которая обеспечивает усиление логического перепада ЭСЛ до необходимого логического перепада ТТЛ.

Функцию усиления по напряжению и мощности выполняют соответственно входной дифференциальный каскад на эмиттерно-связанных транзисторах и оконечный двухтактный каскад на транзисторах . Режим работы входного каскада определяется опорными напряжениями , генератором стабильного тока и входным напряжением. Одна из баз транзисторов или с помощью внешнего монтажа соединяется с выводом источника . Таким образом, реализуется либо инвентирующий (вход ), либо неинвертирующий (вход ).

Рис. 8.7.

Транзистор обеспечивает защиту оконечного каскада от теплового разрушения сквозным током, так как исключает одновременное отпирание транзисторов при подключенном к ИМС напряжении питания и свободных входах . Основной недостаток схемы рис. 8.7, а — чувствительность к колебаниям напряжения питания , что обусловлено малым запасом напряжения на резисторе . Изменяя напряжение , а также сопротивление резистора , можно изменять режим работы входного каскада, а следовательно, и выходного.

На рис. показана схема , который не содержит эмиттерных повторителей с резистивными делителями. Кроме того, выходной каскад на транзисторах не защищен от теплового пробоя, когда оба транзистора заперты (при неподключенных входах ), что влечет за собой одновременное отпирание транзисторов оконечного каскада.

На один из входов подается опорное напряжение и тем самым реализуется соответственно инвертирующий либо неинвертирующий .

Рис. 8.8.

Преобразователей уровней сигналов ТТЛ и ИЛ используют биполярные транзисторы двух типов проводимостей, совмещая коллекторную область -транзистора с базовой областью миогоколлекторного -транзистора (МКТ) и базовую область -транзистора с эмиттерной областью МКТ. Уменьшение количества фотошаблонов, операции диффузии и изолирующих областей («карманов») обусловливает широкое использование -технологии в производстве БИС и, в частности, ОЗУ большой емкости Чаще всего внешние входные и выходные сигналы таких БИС приводят к стандарту сигналов ТТЛ-схем, поэтому задача сопряжения схем на основе ТТЛ- и -технологий актуальна.

Для управления -схемами используют логические уровни В (табл. 8.2), а в ТТЛ-схемах . Следовательно, преобразователи уровней ТТЛ должны обеспечивать соответственно ослабление и усиление входных сигналов.

В качестве можно использовать ТТЛ-схему с открытым коллектором, который подключается непосредственно ко входу -схемы. Однако при малом числе нагрузок выходной транзистор ТТЛ-схемы имеет глубокое насыщение, при этом возрастает время . Поэтому при небольших применяют специальную схему (рис. 8.8, а). При транзистор насыщен, заперт и ток , инжектируемый генератором тока , замыкается через базу МКТ и отпирает его. На выходе (коллектор ) устанавливается . Если напряжение на входах , транзнстор переключается в инверсный активный режим, — в режим насыщения. Ток инжектора замыкается через насыщенный , и поскольку сопротивление коллектора насыщенного транзистора мало, выходе имеем логический .

Сопротивление резистора

Постоянная времени рассасывания заряда на базе

где эквивалентная входная емкость транзистора пороговое напряжение диода VD; N — количество нагрузок с током инжектора — коэффициент насыщения транзистора .

Коэффициент S в формуле (8.9) следует выбрать в соответствии с ограничением сверху на сопротивление резистора . Входная характеристика ПУП (рис. 8.8,а) идентична входной характеристике базового ТТЛ-элемента .

На рис. показана модификация схемы рис. 8.8,а, полученная заменой диода VD на транзистор , работающий без насыщения в режиме эмиттерного повторителя. Многоколлекторный транзистор открывается усиленным транзистором током, что увеличивает быстродействие . Много-коллекторный выход помимо согласования уровней обеспечивает раздельное управление несколькими -схемами .

В оптоэлектронной схеме (рис. 8.8,в) входной каскад на транзисторе воспроизводит входные характеристики ТТЛ-элемента . Если хотя бы на одном входе имеется низкий уровень транзистор заперт (светодиод погашен), а значит, заперт фотодиод и МКТ также находится в режиме отсечки. Когда на всех входах имеются логические «1», транзистор насыщен, через светодиод протекает ток

достаточный для светоизлучения. В результате ток фотодиода открывает транзистор и на выходах (коллекторах) устанавливаются логические . Сопротивление резистора выбирают так, чтобы за заданное время происходило рассасывание неосновных носителей в базе транзистора .

Достоинства оптронного полная гальваническая развязка входных и выходных цепей, а также высокая помехозащищенность. Недостаток — невысокое быстродействие, которое ограничивается оптронной парой.

Преобразователи сигналов -схем к стандарту ТТЛ должны обеспечить усиление сигналов по напряжению (до логического перепада ТТЛ) и по току (от микроампер до миллиампер). Поскольку биполярные транзисторы -схем имеют малый коэффициент усиления по току требуемое усиление получают последовательным включением (каскадным) нескольких -схем (рис. 8.9). Число последовательно включаемых -каскадов зависит от отношения , где ток инжектора; . Если каждый МКТ -схемы содержит коллекторов и имеет коэффициент усиления по току , то при последовательно включенных -схем, ток

Число необходимых каскадов

На рис. 8.9,а показана схема для . Выходной каскад представляет собой обычный сложный инвертор ТТЛ, управляемый током резистора , определяемого из соотношения (8.1):

где — напряжение на открытом эмиттерном переходе; — коэффициент насыщения транзистора.

Рис. 8.9.

Если МКТ заперт, ток резистора замыкается через базу транзистора , насыщает его, благодаря чему насыщается также транзистор , запирается и на выходе формируется логический «0». Если МКТ открыт, то ток резистора , равный , замыкается через , напряжение на базе поэтому заперты, открыт и на выходе устанавливается логическая «1», соответствующая ТТЛ-схемам.

В схеме на рис. сопротивление резистора можно выбрать большим, чем в предыдущей схеме

где выходное сопротивление в состоянии логической «1» и определяемое из условий согласования с ТТЛ-нагрузками.

Достоинство (рис. ) — простота схемы, а недостатки — все, присущие простым инверторам на выходе ИМС.

В схеме на рис. 8.9, в [2] выходом является открытый коллектор, который можно подключить непосредственно к входу ТТЛ-схемы. Схема не содержит резисторы и изменением тока инжектора можно регулировать мощность и быстродействие. Схема состоит из двух последовательно включенных -схем на транзисторах . Первый каскад усиливает входной раз, т. е. ток инжекции второго каскада . Второй каскад усиливает ток первого также в раз и его выходной ток должен быть достаточным для непосредственного управления ТТЛ-схемой.

Некоторые из рассмотренных ПУ выпускаются промышленностью в виде монокристальных или гибридных ИМС и широко используются при проектировании цифровых устройств. Наибольшее число промышленных вариантов имеется среди ПУ ТТЛ ЭСЛ, ТТЛ МДП.