Файл: Курс лекций по дисциплине Цифровая схемотехника для специальности.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.03.2024
Просмотров: 132
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
=
Задачи
Тема 1.8 Логическое проектирование в базисах микросхем
Для каждой логической операции существует свой логический элемент, выполненный в виде микросхемы той или иной серии.
Таблица обозначений логических элементов
Тема 1.9 Цифровые интегральные микросхемы
Логические соглашения
Возможны два варианта представления логических переменных уровнями напряжения:
1) за 1 принимается более высокий уровень напряжения, обозначаемый H (high - высокий). Такой вариант называют соглашением положительной логики;
2) за 1 принимают низкий уровень напряжения - L (low - низкий). Этот вариант называется соглашением отрицательной логики.
Логическое соглашение касается только представления логических переменных и не влияет на преобразование электрических сигналов в элементе. Описание элемента через соотношение между уровнями напряжения на его входах и выходе всегда однозначно и неизменно. Логические же операции могут изменяться в зависимости от способа представления переменных. Таким образом функция одного и того же элемента может быть разной.
Совокупности микросхем, объединенные по признаку единства конструктивно-технологического исполнения, электрическим параметрам, условиям эксплуатации и логическому соглашению, образуют системы элементов. Микросхемы средней интеграции одной системы выпускаются в виде серий микросхем общего назначения.
Самыми распространенными системами элементов являются системы ТТЛ, ЭСЛ, КМДП.
Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)
Схема простейшего элемента ТТЛ состоит из входной ступени на многоэмиттерном транзисторе VT1, которая реализует логическую функцию И, и выходной ступени VT2, реализующей функцию НЕ и обеспечивающей заданную нагрузочную способность (рис.1). Если на всех входах присутствует высокий уровень U1H , то многоэмиттерный транзистор оказывается в инверсном включении, так как его эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный - в прямом (эмиттер с коллектором как бы поменялись ролями). Эмиттерный ток при этом весьма мал, потому что в инверсном включении транзистора его коэффициент усиления
много меньше 1.
Рис 1. Простейший элемент ТТЛ
Таким образом, ток базы выходного транзистора, близкий по значению к значению IR базы многоэмиттерного транзистора, насыщает этот транзистор и на выходе оказывается напряжение насыщения коллектор-эмиттер
UкЭН, близкое к нулю (уровень логического «0»).
Если же хотя бы на одном входе появится низкий уровень напряжения UП логического нуля, то многоэмиттерный транзистор с прямосмещенным эмиттерным переходом окажется в нормальном включении. В его коллекторе временно протекает ток, рассасывающий неосновные носители заряда из области базы выходного транзистора и быстро запирающий его. После запирания этого транзистора в коллекторе многоэмиттерного транзистора остается лишь малый обратный ток коллекторного перехода выходного транзистора. Поэтому многоэмиттерный транзистор оказывается в насыщении при нулевом коллекторном токе. Это обеспечивает надежное запирание выходного транзистора, поскольку к его базе через насыщенный многоэмиттерный транзистор поступает UП . На выходе в данном режиме формируется высокий уровень напряжения U0H , близкий к напряжению источника питания Е.
Простейшей базовой схеме ТТЛ свойственны недостатки, по которым она не находит широкого применения:
1) низкий порог переключения и, следовательно, низкая помехозащищенность;
2) заметный входной ток при Ui =UiH, так как многоэмиттерный транзистор в инверсном включении имеет хотя и малый, но все же конечный коэффициент усиления
;
3) высокое выходное сопротивление U0H при на выходе, которое не может обеспечить хороших динамических свойств.
Рис 2. Элемент ТТЛ со сложным инвертором
Ввиду этого практические схемы ТТЛ элементов в типовых сериях микросхем имеют более сложные структуры, из которых прежде всего следует назвать схему со сложным инвертором на выходе. Схема (рис.2) состоит из двух каскадов:
многоэмиттерного транзистора VT0 , реализующего функцию И;
сложного инвертора, состоящего из фазорасщепителя (VT1, R1, R2) и выходного двухтактного усилителя мощности (R3, VD, VT2, VT3).
Количество входов у элемента ТТЛ обычно не превышает восьми, поскольку с увеличением их числа ухудшаются динамические параметры элемента.
Выходное напряжение логической 1 формируется, когда VT1 закрыт, при этом
(второй член мал при большом ). В наихудших режимах UOH 2,4 В. Резистор R3 ограничивает сквозной ток в режиме переключения, а R2 обеспечивает надежное запирание VТ3. Выходное напряжение логического 0 формируется, когда на всех входах присутствует UIL, при этом VТ1 и VТ3 оказываются в насыщении, а VТ2 - закрывается. VТ3 способен принять значительный ток нагрузки IOL, оставаясь в насыщенном режиме. Поэтому, в зависимости от нагрузки UOL = Uкэн = (0,05...0,4) В. Роль диода VD заключается в том, чтобы надежно закрыть верхний выходной транзистор при формировании UOL.
Рис 3. Передаточная характеристика элемента ТТЛ со сложным инвертором.
Переход схемы из состояния 1 в состояние 0 проследим по передаточной характеристике, форма которой показана на рис.3. При увеличении UI от UIL напряжение на базе многоэмиттерного транзистора также увеличивается, при этом ток IR перераспределяется: уменьшается в эмиттере и увеличивается в коллекторе. Так как VТ1 закрыт и его ток коллектора близок к нулю, то потенциал базы VТ1 следит за UI.
При UI 0,7 В транзистор VТ1 начинает открываться и переходит в активную область (точка 1). Так как транзистор VТ3 закрыт (его Rвх велико), а VТ2 находится в активном режиме (его Iб мал), то VТ1 работает как усилитель с коэффициентом передачи: -R1/R2 -1,6. Этот коэффициент определяет крутизну наклона характеристики от точки 1 к точке 2. В точке 2 при UI 1,4 В начинает открываться транзистор VТ3. При этом малое динамическое сопротивление перехода база-эмиттер VТ3 шунтирует R2 и коэффициент усиления каскада наVТ1 резко возрастает. Здесь мы имеем положительную обратную связь, когда, чем больше открывается VТ3, тем больше становится коэффициент усиления. Поэтому участок от точки 2 до точки 3 почти вертикален. В точке 3 транзистор VТ3 (и VТ1) переходит в насыщение, и дальнейшее уменьшение UO становится малозаметным.
Необходимо заметить, что вблизи
точки 3 наблюдается момент, когда открыты все транзисторы. Поэтому при переключении ТТЛ - элемента наблюдается резкий скачок тока потребления.
Статические параметры элемента в диапазоне температур от -10 до 70С:
UOL 0,4 В;
UOH 2,4 В;
IIH 40 мкА;
IIL -1,6 мА;
помехоустойчивость 0,4 В.
Рассмотрим некоторые распространенные модификации элементов ТТЛ (рис.4). Расширитель по ИЛИ (схема а) коллектором и эмиттером своего выходного транзистора VT1’ присоединяется к базовой схеме и этот транзистор оказывается подключенным параллельно транзистору VТ1 (рис.2). В результате базовый элемент И-НЕ превращается в элемент И-ИЛИ-НЕ.
Выходной каскад элемента с «открытым коллектором» (схема б) не имеет коллекторной нагрузки, поэтому его можно объединять по выходу с аналогичными элементами. Подобные элементы используются для подключения устройств к общим информационным шинам и реализации функции «монтажное ИЛИ».
Рис.4. Модификации элементов ТТЛ
В качестве буфера при подключении к общей шине применяются также элементы с тремя состояниями выхода (рис.4в). Третье состояние высокого выходного сопротивления обеспечивается в элементе при поступлении высокого уровня логической 1 на вход управления. При этом одновременно закрываются верхний и нижний транзисторы в выходном каскаде элемента, что равносильно его отключению от выхода.
Для получения функции И без инверсии перед выходным каскадом в элементе включают дополнительный инвертирующий транзисторный ключ.
Наибольшим быстродействием среди схем ТТЛ обладают элементы на транзисторах Шоттки (ТТЛШ). В них параллельно коллекторному переходу транзистора подключен так называемый диод Шоттки. Диод Шоттки в интегральном исполнении представляет собой контакт металла с высокоомным полупроводником коллекторной области транзистора. Падение напряжения на таком диоде в прямом включении не превышает 0,4 В, что меньше падения напряжения на обычном кремниевом p-n переходе. Если диод Шоттки включить параллельно переходу база-коллектор биполярного кремниевого транзистора, то это будет предотвращать его насыщение (переход база-коллектор не открывается). В интегральном исполнении транзистор и диод составляют единую структуру- транзистор Шоттки
Задачи
-
F=
-
F=
-
F=
-
F=
-
F=(A
-
F=
-
F=AB
Тема 1.8 Логическое проектирование в базисах микросхем
Для каждой логической операции существует свой логический элемент, выполненный в виде микросхемы той или иной серии.
Таблица обозначений логических элементов
| ANSI | ГОСТ | Примечание | ||
| УГО | Функция | УГО | Функция | |
                   | AND OR NOT NAND NOR XOR XNOR TRISTATE BUFFER BUFFER | | И ИЛИ НЕ И-НЕ ИЛИ-НЕ ИСКЛ ИЛИ ИСКЛ ИЛИ -НЕ Буфер с 3 состояниями выхода Буферный повторитель | Z = X^Y Z = XY Z =  Z =  Z = XY Z = XY Z =  Z = XE Z = X |
Тема 1.9 Цифровые интегральные микросхемы
Логические соглашения
Возможны два варианта представления логических переменных уровнями напряжения:
1) за 1 принимается более высокий уровень напряжения, обозначаемый H (high - высокий). Такой вариант называют соглашением положительной логики;
2) за 1 принимают низкий уровень напряжения - L (low - низкий). Этот вариант называется соглашением отрицательной логики.
Логическое соглашение касается только представления логических переменных и не влияет на преобразование электрических сигналов в элементе. Описание элемента через соотношение между уровнями напряжения на его входах и выходе всегда однозначно и неизменно. Логические же операции могут изменяться в зависимости от способа представления переменных. Таким образом функция одного и того же элемента может быть разной.
Совокупности микросхем, объединенные по признаку единства конструктивно-технологического исполнения, электрическим параметрам, условиям эксплуатации и логическому соглашению, образуют системы элементов. Микросхемы средней интеграции одной системы выпускаются в виде серий микросхем общего назначения.
Самыми распространенными системами элементов являются системы ТТЛ, ЭСЛ, КМДП.
Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)
Схема простейшего элемента ТТЛ состоит из входной ступени на многоэмиттерном транзисторе VT1, которая реализует логическую функцию И, и выходной ступени VT2, реализующей функцию НЕ и обеспечивающей заданную нагрузочную способность (рис.1). Если на всех входах присутствует высокий уровень U1H , то многоэмиттерный транзистор оказывается в инверсном включении, так как его эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный - в прямом (эмиттер с коллектором как бы поменялись ролями). Эмиттерный ток при этом весьма мал, потому что в инверсном включении транзистора его коэффициент усиления
много меньше 1. Рис 1. Простейший элемент ТТЛ
Таким образом, ток базы выходного транзистора, близкий по значению к значению IR базы многоэмиттерного транзистора, насыщает этот транзистор и на выходе оказывается напряжение насыщения коллектор-эмиттер
UкЭН, близкое к нулю (уровень логического «0»).
Если же хотя бы на одном входе появится низкий уровень напряжения UП логического нуля, то многоэмиттерный транзистор с прямосмещенным эмиттерным переходом окажется в нормальном включении. В его коллекторе временно протекает ток, рассасывающий неосновные носители заряда из области базы выходного транзистора и быстро запирающий его. После запирания этого транзистора в коллекторе многоэмиттерного транзистора остается лишь малый обратный ток коллекторного перехода выходного транзистора. Поэтому многоэмиттерный транзистор оказывается в насыщении при нулевом коллекторном токе. Это обеспечивает надежное запирание выходного транзистора, поскольку к его базе через насыщенный многоэмиттерный транзистор поступает UП . На выходе в данном режиме формируется высокий уровень напряжения U0H , близкий к напряжению источника питания Е.
Простейшей базовой схеме ТТЛ свойственны недостатки, по которым она не находит широкого применения:
1) низкий порог переключения и, следовательно, низкая помехозащищенность;
2) заметный входной ток при Ui =UiH, так как многоэмиттерный транзистор в инверсном включении имеет хотя и малый, но все же конечный коэффициент усиления
;3) высокое выходное сопротивление U0H при на выходе, которое не может обеспечить хороших динамических свойств.
Рис 2. Элемент ТТЛ со сложным инвертором
Ввиду этого практические схемы ТТЛ элементов в типовых сериях микросхем имеют более сложные структуры, из которых прежде всего следует назвать схему со сложным инвертором на выходе. Схема (рис.2) состоит из двух каскадов:
многоэмиттерного транзистора VT0 , реализующего функцию И;
сложного инвертора, состоящего из фазорасщепителя (VT1, R1, R2) и выходного двухтактного усилителя мощности (R3, VD, VT2, VT3).
Количество входов у элемента ТТЛ обычно не превышает восьми, поскольку с увеличением их числа ухудшаются динамические параметры элемента.
Выходное напряжение логической 1 формируется, когда VT1 закрыт, при этом
(второй член мал при большом ). В наихудших режимах UOH 2,4 В. Резистор R3 ограничивает сквозной ток в режиме переключения, а R2 обеспечивает надежное запирание VТ3. Выходное напряжение логического 0 формируется, когда на всех входах присутствует UIL, при этом VТ1 и VТ3 оказываются в насыщении, а VТ2 - закрывается. VТ3 способен принять значительный ток нагрузки IOL, оставаясь в насыщенном режиме. Поэтому, в зависимости от нагрузки UOL = Uкэн = (0,05...0,4) В. Роль диода VD заключается в том, чтобы надежно закрыть верхний выходной транзистор при формировании UOL.
Рис 3. Передаточная характеристика элемента ТТЛ со сложным инвертором.
Переход схемы из состояния 1 в состояние 0 проследим по передаточной характеристике, форма которой показана на рис.3. При увеличении UI от UIL напряжение на базе многоэмиттерного транзистора также увеличивается, при этом ток IR перераспределяется: уменьшается в эмиттере и увеличивается в коллекторе. Так как VТ1 закрыт и его ток коллектора близок к нулю, то потенциал базы VТ1 следит за UI.
При UI 0,7 В транзистор VТ1 начинает открываться и переходит в активную область (точка 1). Так как транзистор VТ3 закрыт (его Rвх велико), а VТ2 находится в активном режиме (его Iб мал), то VТ1 работает как усилитель с коэффициентом передачи: -R1/R2 -1,6. Этот коэффициент определяет крутизну наклона характеристики от точки 1 к точке 2. В точке 2 при UI 1,4 В начинает открываться транзистор VТ3. При этом малое динамическое сопротивление перехода база-эмиттер VТ3 шунтирует R2 и коэффициент усиления каскада наVТ1 резко возрастает. Здесь мы имеем положительную обратную связь, когда, чем больше открывается VТ3, тем больше становится коэффициент усиления. Поэтому участок от точки 2 до точки 3 почти вертикален. В точке 3 транзистор VТ3 (и VТ1) переходит в насыщение, и дальнейшее уменьшение UO становится малозаметным.
Необходимо заметить, что вблизи
точки 3 наблюдается момент, когда открыты все транзисторы. Поэтому при переключении ТТЛ - элемента наблюдается резкий скачок тока потребления.
Статические параметры элемента в диапазоне температур от -10 до 70С:
UOL 0,4 В;
UOH 2,4 В;
IIH 40 мкА;
IIL -1,6 мА;
помехоустойчивость 0,4 В.
Рассмотрим некоторые распространенные модификации элементов ТТЛ (рис.4). Расширитель по ИЛИ (схема а) коллектором и эмиттером своего выходного транзистора VT1’ присоединяется к базовой схеме и этот транзистор оказывается подключенным параллельно транзистору VТ1 (рис.2). В результате базовый элемент И-НЕ превращается в элемент И-ИЛИ-НЕ.
Выходной каскад элемента с «открытым коллектором» (схема б) не имеет коллекторной нагрузки, поэтому его можно объединять по выходу с аналогичными элементами. Подобные элементы используются для подключения устройств к общим информационным шинам и реализации функции «монтажное ИЛИ».
Рис.4. Модификации элементов ТТЛ
В качестве буфера при подключении к общей шине применяются также элементы с тремя состояниями выхода (рис.4в). Третье состояние высокого выходного сопротивления обеспечивается в элементе при поступлении высокого уровня логической 1 на вход управления. При этом одновременно закрываются верхний и нижний транзисторы в выходном каскаде элемента, что равносильно его отключению от выхода.
Для получения функции И без инверсии перед выходным каскадом в элементе включают дополнительный инвертирующий транзисторный ключ.
Наибольшим быстродействием среди схем ТТЛ обладают элементы на транзисторах Шоттки (ТТЛШ). В них параллельно коллекторному переходу транзистора подключен так называемый диод Шоттки. Диод Шоттки в интегральном исполнении представляет собой контакт металла с высокоомным полупроводником коллекторной области транзистора. Падение напряжения на таком диоде в прямом включении не превышает 0,4 В, что меньше падения напряжения на обычном кремниевом p-n переходе. Если диод Шоттки включить параллельно переходу база-коллектор биполярного кремниевого транзистора, то это будет предотвращать его насыщение (переход база-коллектор не открывается). В интегральном исполнении транзистор и диод составляют единую структуру- транзистор Шоттки