Основные логические элементы в интегральном исполнении

 

Логические элементы в интегральном исполнении предназначают для работы с сигналами в потенциальной форме. Они могут выполняться в логике разных типов. Тип логики влияет на характеристики элемента. В интегральных микросхемах чаще всего применяют кремниевые транзисторы. Применение интегральных схем позволяет изготавливать компактные элементы, узлы и целые комплексы, выполняющие разнообразные логические операции, запоминание информации и другие функции.

Логический элемент И - НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Простейший элемент И - НЕ показан на рис.2.6. Он состоит из двух частей: элемента И на многоэмиттерном транзисторе Т₁ и элемента НЕ на транзисторе Т₂. С вязь непосредственная: коллектор Т₁ соединен с базой транзистора Т₂. Смещение в цепи базы транзистора Т₂ выполняет коллекторный переход Т₁. Три эмиттерных перехода Т₁, подключенных к входу элемента, выполняют функции входных диодов в схеме И на диодах.

По сравнению с ДТЛ-элементами элементы ТТЛ обладают более высоким быстродействием. Элемент выполнен по технологии интегральных микросхем, поэтому он не содержит реактивных элементов и работает от сигналов в виде напряжений положительной полярности.

Рассмотрим принцип работы подобных элементов. Если на все входы подать напряжение U¹, то все эмиттерные переходы сместятся в обрат­ном направлении. Потенциал коллектора транзистора Т₂, окажется близким нулю, переход база - коллектор смещен в прямом направлении за счет источника +Е_к. Транзистор T₁ будет в инверсном режиме, транзистор Т₂, - в режиме насыщения. Коллекторный ток транзистора T₁ втекает в базу транзистора Т₂, оставляя последний в режиме насыщения. Таким образом, на выходе будет напряжение низкого уровня, т.е. логический 0.

Если на один из входов подано напряжение U°, то потенциал базы транзистора T₁ станет выше потенциалов эмиттера и коллектора, поэтому T₁ окажется в режиме насыщения и ток базы замкнется через эмиттерные переходы T₁ и не поступит в его коллектор, а следо­вательно, и в базу Т₂. Поэтому транзистор Т₂, будет закрыт, а на его выходе - напряжение высокого уровня (логическая 1). Таким образом, элемент выполняет операцию И - НЕ, так как сигнал логического нуля на выходе может быть только тогда, когда на все входы будет подан сигнал логической единицы.

В промышленности для повышения нагрузочной способности логических элементов ДТЛ и ТТЛ используют схемы со сложным инвертором. На рис.2.7 изображена схема универсального логического элемента И_- НЕ со сложным инвертором на выходе в интегральном исполнении. Операция И выполняется входным многоэмиттерным транзистором T₁. Инвертирование фазы сигнала осуществляется сложным инвертором на транзисторах Т₂, Т₃, Т₄. Питание элемента – от источника постоянного напряжения 5В. Элемент работает от входных импульсов напряжения прямоугольной формы с уровнями U¹= 3, 3 В (логическая 1), U° = 0, 1 В (логический 0).

Транзисторы Т₂ и Т₄ находятся в режиме насыщения. Ток проходит по цепи +Е_к, R₁, открытый коллекторный р-n-переход транзистора Т₁, эмиттерно-базовые переходы насыщенных транзисторов Т₂ и Т₄, 0. Многоэмиттерный транзистор Т₁ находится в инверсном режиме включения. Так как транзистор Т₂ открыт и находится в насыщении, между точками А и В элемента имеется малый перепад напряжения, из которого вычитается падение напряжения на диоде Д. В силу этого транзистор Т₃ надежно закрыт и находится в режиме отсечки. Насыщенный транзистор Т₄, представляя собой в этом режиме эквипотенциальную точку, подсоединяет узел С схемы к заземленной точке D, закорачивая тем самым сопротивление нагрузки R_н. Таким образом, на выходе напряжение равно логическому нулю. Появление хотя бы на одном входе Т₁ импульса напряжения низкого уровня приводит к открытию соответствующего эмиттерного перехода Т₁. Транзистор Т₁ выходит из инверсного режима, а транзисторы Т₂ и Т₄ закрываются, так как их базовые токи становятся равными нулю. В это время входит в насыщение транзистор Т₃ и на выходе появляется сигнал логической 1.

Логический элемент ИЛИ - НЕ n -канальной МОП-транзисторной логики (МОПТЛ). В логических схемах на полевых транзисторах используют только МОП-транзисторы с диэлектриком SiO₂. Основные преимущества схем на МОП-транзисторах по сравнению с другими схемами - высокая степень интеграции и повышенная помехоустойчивость.

Рассмотрим схему ИЛИ - HЕ на МОП-транзисторах с индуцированным n-каналом (рис. 2.8). Для уменьшения площади схемы вместо нагрузочного резистора используется МОП-транзистор Т_к. Логические транзисторы Т₁ и Т₂ включены параллельно. Напряжение питания обычно выбирают в три раза большим порогового U_пор (U_пор - напряжение на затворе, при котором образуется канал).

Если U_nop = 2, 0 В, то логический перепад (разность между входным и пороговым напряжениями) составляет 4 В. Логические уровни соответствуют выходным напряжениям открытого и закрытого транзистор. Если на оба входа подать напряжение меньше порогового (соответствующее логическому нулю), то транзисторы T₁ и Т₂ окажутся закрытыми, а ток стока - практически равным нулю. При этом ток стока нагрузочного транзистора Т_к тоже будет равен нулю. Поэтому на выходе установится напряжение, близкое к напряжению источника питания Е_с и соответствующее логической 1.

Если на вход хотя бы одного транзистора подать напряжение, превышающее пороговое (соответствующее логической 1), то этот транзистор откроется и появится ток стока. Тогда на выходе схемы будет остаточное напряжение, значительно меньшее порогового, что соответствует логическому 0.

Следует отметить, что схемы на МОП-транзисторах менее быстродействующие, чем на биполярных. Это связано со скоростью перезарядки выходной емкости, которая весьма значительна. Все способы повышения быстродействия ведут к появлению других существенных недостатков.

Аналогично работает (с учетом полярностей) схема ИЛИ-НЕ с р-канальными МОП-транзисторами. Тип схемы влияет на характеристики (потребляемая мощность, быстродействие и др.), но принцип работы схемы остается неизменным. Кроме рассмотренных выше, существуют и другие типы логик.

МОП-транзисторная логика на комплементарных транзисторах (КМОП). Схема строится на комплементарных МОП-транзисторах. В качестве логических используются два транзистора, один из которых с n-каналом, а другой - с р-каналом. Логические ИМС на их основе являются наиболее перспективными. Однако технология изготовления транзисторов с р- и n-каналами на одном кристалле сложна и трудоемка.

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). Основу этой группы ИМС составляет переключатель тока, представляющий собой ключевой элемент на транзисторах с объединенным эмиттером. Такие логические ИМС наиболее быстродействующие.

Интегральная инжекционная логика (И²Л). Эта логика не имеет аналогов в дискретном исполнении и является новым направлением, которое способствует миниатюризации цифровых приборов. В основе построения микросхем на И²Л используется базовая структура, состоящая из комплементарной пары биполярных транзисторов.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: