Глава 5. Логические элементы и триггеры

5.1. Интегральные схемы ТТЛ серий

В зависимости от технологии изготовления интегральные схемы (ИС) подразделяются на серии, различающиеся физическими параметрами базовых логических элементов (ЛЭ), а также числом и функциональным назначением входящих в их состав микросхем. В настоящее время разработано несколько десятков технологий изготовления ИС. Наиболее широкое применение находят ИС, изготовляемые по TTЛ-, КМОП-, ЭСЛ- и n-МОП-технологиям, причем каждая из этих технологий имеет несколько разновидностей. Технологии изготовления ИС непрерывно совершенствуются с целью увеличения их быстродействия и нагрузочной способности, уменьшения потребляемой мощности и увеличения степени интеграции — количества компонентов, размещаемых на кристалле заданной площади.

Схемотехника базовых логических элементов. Первая серия ИС была изготовлена на транзисторных схемах с непосредственной связью. Далее были разработаны серии ИС на основе резистивно-транзисторной и диодно-транзисторной технологий. Эти серии ИС не получили широкого распространения, Поскольку вскоре (1963 г.) была освоена более совершенная технология изготовления ИС - транзисторно-транзисторная логика (Standard TTL). Отличительной особенностью данной технологии является использование на входах ИС многоэмиттерных транзисторов.

На рис. показан базовый серии фирмы Texas Instruments Inc. (TI), выполненный по этой техноло и представляющий собой ЛЭ И-НЕ (базовым считается тот ЛЭ, параметры которого наиболее полно характеризуют физические свойства большинства ИС данной серии). Интегральная

Рис. 5.1

схема содержит 4 двухвходовых ЛЭ И-НЕ, реализующих функцию Многоэмиттерный транзистор выполняет функцию И, а транзистор функцию НЕ. Выходной каскад, выполненный на транзисторах позволяет получить большие значения как втекающего так и вытекающего токов. Диод в эмиттерной цепи транзистора обеспечивает его надежное закрывание при открытом транзисторе Если транзистор закрыт, то открыт транзистор представляя собой эмиттерный повторитель. Выход с описанным соединением двух транзисторов называется каскадным (totem-pole) или стандартным выходом. Диоды, включенные между входными и общим выводами, обеспечивают защиту ЛЭ при подаче на его входы отрицательного напряжения.

К основным статическим (электрическим) параметрам ЛЭ относятся уровни входных и выходных напряжений и значения входных и выходных токов:

(High-level Input Voltage) - входное напряжение высокого уровня (логической единицы),

(Low-level Input Voltage) - входное напряжение низкого уровня (логического нуля),

(High-level Output Voltage) - выходное напряжение высокого уровня (логической единицы),

(Low-level Output Voltage) - выходное напряжение низкого уровня (логического нуля),

(High-level Input Current) - входной ток при подаче на вход высокого уровня напряжения,

(Low-level Input Current) - входной ток при подаче на вход низкого уровня напряжения,

(High-level Output Current) - выходной ток при высоком уровне выходного сигнала (вытекающий ток — Sink Current),

Iol (Low-level Output Current) — выходной ток при низком уровне выходного сигнала (втекающий ток — Source Current). В качестве стандартных приняты значения этих параметров:

Токи протекают в противоположных направлениях, поэтому токам присваивается знак минус. Однако, часто под этими обозначениями будем понимать их модули.

Отношения характеризуют нагрузочную способность ЛЭ для низких и высоких уровней сигналов. Параметр определяет максимальное число входов базовых ЛЭ, которое допустимо подключать к выходу аналогичного ЛЭ. Для базового ЛЭ серии нагрузочная способность

Максимальное значение вытекающего тока значительно меньше максимального значения втекающего тока Такое различие токов связано с тем, что выходное напряжение уменьшается с увеличением тока из-за падения напряжения на коллекторной нагрузке транзистора (130 Ом) и диоде, включенном в цепь его эмиттера. Резистор 130 Ом предотвращает выход из строя транзистора коротком замыкании выхода на корпус. Указанные выше значения выходных токов ЛЭ обеспечивают быстрый заряд и разряд емкости нагрузки чем достигается высокая крутизна фронтов выходного сигнала.

Помехоустойчивость ЛЭ определяется значениями величин

Помехи с уровнем напряжения менее 0,4 В не могут

привести к изменению состояния ЛЭ. Переход ЛЭ в усилительный (активный) режим характеризуется значением порогового уровня переключения (ТН - Threshold Voltage - пороговое напряжение). Величина порогового уровня для стандартной серии Типовое значение помехоустойчивости определяется значениями величин

где В — типовые значения выходных напряжений ЛЭ серии (без перегрузки).

Динамические параметры ЛЭ характеризуются временами задержки при переходе выходного сигнала с высокого уровня на низкий (Propagation delay time/high-to-low-level output), tpLH - ПРИ переходе выходного сигнала с низкого уровня на высокий (Propagation delay time/low-to-high-level output) или средним временем задержки сигналов в ЛЭ (Propagation delay time)

Задержки показаны на рис. эквивалентный входной сигнал ЛЭ, учитывающий взаимодействие физических входных сигналов на рис. 5.1,а; у — выходной сигнал

Рис. 5.2

Рис. 5.3

Основным параметром, определяющим качество технологии изготовления ИС, является величина работы переключения стандартного ЛЭ (вентиля) — произведение среднего времени задержки сигналов в вентиле на мощность потребления вентиля. Для стандартной серии значения не, Указанное значение позволяет использовать триггеры данной серии при частоте переключения

В дополнение к стандартной серии фирмой в 1967 г. были разработаны ТТЛ-серии SN74L (L - Low Power - маломощная; рис. 5.1,6) и SN74H (Н - High Speed - быстродействующая; рис. 5.1,в), имеющие значения при не и при не. Изменение

параметров ЛЭ произведено в основном за счет использования других величин сопротивлений резисторов, влияющих на значения входных и выходных токов. Для сходных технологий быстродействие ИС жестко связано с потребляемой мощностью, повышение быстродействия достигается за счет увеличения потребляемой мощности. Серия предназначена для применения в низкочастотных узлах цифровых устройств (ниже 3 МГц), серия в высокочастотных узлах (до 50 МГц), а серия в среднечастотных узлах (до 35 МГц). Оптимальное использование ИС серий дозволяет значительно снизить мощность потребления серийно выпускаемых радиоэлектронных устройств.

Дальнейшие усилия фирмы направленные на совершенствование TTL-технологий изготовления ИС, привели к созданию серий SN7AS (1969 г.; рис. 5.1,г), SN7ALS (1971 г.), SN7AALS (1980 г.) и SN7AAS (1982 г.). Кроме того, фирма Fairchila Instrument & Camera Corp. разработала в 1979 г. серию В обозначениях этих серий ИС использованы сокращения: усовершенствованная),

Все перечисленные серии ИС основаны на использовании диодов Шотки (рис. предотвращающих режим глубокого насыщения транзисторов, что значительно увеличивает их скорость переключения. На рис. 5.3,б показано условное графическое обозначение транзистора с диодом Шотки, называемого транзистором Шотки. Прямое пороговое напряжение диодов Шотки равно поэтому их использование не оказывает существенного влияния на уровень выходного сигнала.

Основной целью совершенствования технологий является улучшение параметров уменьшение задержек сигналов, входных токов и мощности потребления. Перечисленные выше серии ИС помимо фирмы-разработчика выпускаются многими фирмами-изготовителями во всем мире. Префикс SN в обозначении ИС указывает, что она изготовлена фирмой Другие фирмы-изготовители используют иные префиксы для идентичных ИС, поэтому префикс SN в названиях ИС часто будем опускать. Одна и та же фирма использует разные префиксы Для ИС, принадлежащих к различным классам электронных Устройств (цифровые, линейные, микропроцессорные и др). Например, префикс TMS означает БИС для проектирования микропроцессорных систем фирмы TI.

В табл. 5.1 [25] приведены основные параметры базовых ЛЭ различных серий зарубежных ИС, изготавливаемых по ТТЛ-технологиям. Наименьшее значение параметра имеет серия но тем не менее при проектировании быстродействующих цифровых устройств может потребоваться другая серия, выбираемая по параметру на основании табл. 5.1.

Серии различаются только температурным диапазоном, допустимой величиной отклонения напряжения источника питания от номинала (табл. 5.2) и типом (материалом) корпуса [26]. Серия предназначена для военных применений (имеет большие допуски по температуре и питанию), а серия для промышленного применения. Каждая ИС, как правило, выпускается как в серии так и в серии Интегральные схемы всех этих серий имеют одинаковые или близкие статические и динамические параметры, поэтому в дальнейшем будут рассматриваться в основном ИС серии

В табл. 5.3 приведено соответствие зарубежных и отечественных серий ИС. В настоящее время широкое применение при проектировании радиоэлектронной аппаратуры находят серии Все серии, указанные в табл. 5.3, совместимы по уровням входных и выходных сигналов, т. е. в одном устройстве можно использовать ИС различных серий без дополнительных согласующих элементов, преобразующих уровни сигналов. Конечно, при этом следует учитывать взаимную нагрузочную способность ИС различных серий. Кроме ЛЭ со стандартными статическими параметрами (как у базовых ЛЭ) выпускаются буферные ЛЭ (драйверы) с повышенными значениями выходных токов. Например, буферная по функциональному назначению и расположению выводов идентична но имеет в три раза большую нагрузочную способность. Такие ЛЭ предназначены для работы на большие нагрузки. Взаимная нагрузочная способность ИС различных серий приведена в табл. 5.4.

В базовом показанном на рис. 5.1,г, задержка уменьшена в два раза по сравнению с задержкой в в основном благодаря транзисторам Шотки (без увеличёния мощности потребления). Диоды Шотки, включенные между входными и общим выводами, обеспечивают защиту входов ЛЭ от отрицательного напряжения помех. Статические параметры у ИС серии не хуже, чем у ИС серии поэтому большинство западных изготовителей

(см. скан)

(см. скан)

прекратило выпуск серии в 1981 г.

Базовый маломощный Шотки показан на рис. 5.4. Во входной цепи на диодах Шотки реализована функция И. Эти диоды имеют напряжение пробоя 15 В, что позволяет подавать на входы ЛЭ сигналы с повышенными значениями уровня логической 1. Диоды Шотки, включенные между входными и общим выводами, обеспечивают защиту входов ЛЭ от отрицательного напряжения помех. Благодаря значительно большему быстродействию и вдвое большим значениям выходных токов (см. табл. 5.1) серия вытеснила серию большинство западных изготовителей Прекратило выпуск этой серии в 1981 г. Мощность потребления у ИС серии в 5 раз меньше, чем у ИС серии поэтому при одних и тех же допустимых значениях мощности, рассеиваемой корпусом ИС, достижима большая степень интеграции элементов на кристалле. Следствием этого является возможность изготовления ИС, представляющих собой сложные функциональные устройства.

Рис. 5.4

Рис. 5.5

Базовый усовершенствованный маломощный Шотки) показан на рис. 5.5. Для снижения величины входного тока во входных цепях использованы p-n-p-транзисторы, что увеличило нагрузочную способность в 4 раза по сравнению с нагрузочной способностью Время же задержки и мощность потребления на один вентиль удалось уменьшить в 2 раза (см. табл. 5.1), поэтому серия может быть использована в разработках новых

радиоэлектронных устройств вместо серии Входы и выход ЛЭ защищены от отрицательного напряжения помех диодами Шотки. Напряжение пробоя входных цепей повышено до

Серия предназначена для проектирования сверхбыстродействующих устройств — время задержки сигналов в вентиле не. Для разработки таких устройств ранее использовались только ИС, изготавливаемые по ЭСЛ-технологии. Базовый ЛЭ этой серии показан на рис. 5.6. Входные цепи выполнены -транзисторах, как и в ИС серии Конденсатор на диоде улучшает переключательные свойства выходного каскада. Все входы и выход ЛЭ защищены от отрицательного напряжения помех диодами Шотки. Для ИС серии малой степени интеграции характерны значения не и (см. табл. 5.1), однако внутренние вентили в ИС средней и большой степени интеграции выполняются со значениями 1 не и Такие ИС характеризуются средними значениями параметров не и (с учетом внутренних и выходных вентилей).

Рис. 5.6

На рис. 5.7 показан базовый ЛЭ 74F00 (КР1531ЛАЗ), разработанный фирмой Fairchild Instrument & Camera Corp., параметры которого занимают среднее положение по отношению к

Рис. 5.7

Рис. 5.8

параметрам базовых не и Такие параметры обеспечивают данной серии ИС наиболее широкое применение при проектировании быстродействующих цифровых устройств.

На рис. 5.8 изображены входные цепи ИС некоторых серий с эквивалентной нагрузкой в виде последовательно включенных диодов, обозначающих переходы база-эмиттер транзисторов, которые подключены к этим цепям напряжение открытого перехода база-эмиттер, напряжение перехода коллектор-эмиттер, напряжение на открытом диоде Шотки). Помехоустойчивость ИС определяется значением порогового уровня переключения которое, как следует из рис. 5.8, составляет ([27]):

Для ИС серии пороговый уровень

Типовая помехоустойчивость ИС характеризуется допустимым уровнем помех [27]

а граничная помехоустойчивость (в наихудшем случае) — величинами

(см. скан)

(см. скан)

Все параметры ИС, определяющие их помехоустойчивость, указаны в табл. 5.5.

При включении питания, коротких замыканиях и других повреждениях устройства, построенного на ИС, могут нарушиться нормальные условия его эксплуатации. В табл. 5.6 указаны предельные значения параметров ИС, не выводящие их из строя [27]. Рекомендуемые условия эксплуатации ИС приведены в табл. 5.7 [27].