Файл: Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник.pdf

Следует отметить, что далеко не все возможные варианты ло­ гических элементов ИЛИ — НЕ (И — НЕ) оказались пригодными для практического применения и тем более для реализации в виде цифровых (логических) интегральных схем (ЦИС).

Ниже, в качестве примера, рассматривается элемент РТЛ на дискретных компонентах; другие логические элементы (ДТЛ, ТТЛ, НСТЛ, РСТЛ, СЭТЛ) изучаются в предположении, что они реализованы в виде ЦИС, основными компонентами которых яв­ ляются биполярные транзисторы типа п-р-п (отдельно, в разд. 2.7, рассматриваются ключевые схемы на полевых транзисторах).

6 )

Для иллюстрации количественных соотношений используются упрощенные модели транзисторов. Так, например, входная характе­ ристика транзистора гб = /(«бэ) аппроксимируется кусочно-ломаной (рис. 2.45а). При Ибэ^Ипор транзистор, работая в активном режиме при малом токе, считается закрытым (обычно транзистор считается закрытым, если его коллекторный ток /ц3а,!р не превосходит некото­ рого условного значения, равного, например, 0,05 /кн; при этом ток

базы закрытого транзистора не превосходит /бзакр = 0,05-^- =

= 0 , 0 5 / . Порог запирания транзистора зависит от температуры:

при повышении температуры Unор уменьшается примерно на 2 мВ на 1° С.

В режиме насыщения напряжение на базе равно UQb, а на кол­

при этом в иллюстрациях приняты характерные для кремниевых транзисторов величины: ІІпор = 0,6 В; и5 акт = 0,7 В; и5п = 0,8 В; мкн — 0,2 В.

Важная особенность цифровых интегральных схем (ЦИС) со­ стоит в том, что эти схемы — потенциального типа: информация в

141

них представлена низким Е° (логический нуль) и высоким £• (ло­ гическая единица) уровнями напряжения.

Для оценки свойств логических элементов и, в частности ЦИС,

торое можно подключить к выходу данного элемента без наруше­ ния его работоспособности; в различных ЦИС п изменяется от двух до нескольких десятков.

Коэффициент объединения по входу (m), т. е. максимально допустимое число входов данного элемента; в ЦІ'ІС ш — порядка

2— 10.

Коэффициенты п и m определяют в значительной мере функ­ циональные возможности ИС. Может, например, оказаться, что для синтеза того или иного сложного цифрового устройства необ­ ходимы такие ЦРІС, которые имеют различное число входов (т — 2, 3, 4 и т. д.). Поэтому серин ИС, выпускаемых промыш­ ленностью, содержат наряду с основными элементами логические расширители, например, логические схемы ИЛИ, И, РІ — РІЛИ.

Если, например, исходная ИС1ИЛИ — НЕ имеет всего пі — 3 входа, то подключение к ее специальному входу логического рас­ ширителя ИЛРІ на 3 входа позволяет подать па входы получен­ ной схемы 6 входных сигналов.

Заметим, что логические расширители позволяют создавать ло­ гические схемы двухступенчатой логики (схемы РІ — ИЛИ — НЕ), широко применяемые при проектировании различных цифровых устройств.

Быстродействие элемента, определяемое максимально допусти­ мой частотой следования входных сигналов (перепадов, импуль­ сов), представляющих коды «0» и «1», и зависящее, очевидно, от длительности переходных процессов в элементе. Для оценки бы­ стродействия используются временные параметры: длительность

выходное напряжение выключенного транзистора при этом высо­

и выключения отсчитываются либо на 5%- или 10%-ных уров­ нях, либо на 50%-ных уровнях входного и выходного сигналов (рис. 2.45).

142

По быстродействию условно различают логические элементы сверхбыстродействующие (іЗСр < 5 н с ), быстродействующие (^зср =

Помехоустойчивость элемента, т. е. максимальное значение Un помехи, действующей на входе элемента, при которой еще сохра­ няется его нормальная работоспособность; обычно Un порядка 0,1—1 В.

Потребляемая мощность, т. е. средняя мощность Рср, рассеи­ ваемая элементом. Условно различают элементы мощные (30 мВт <

Сравнение цифровых интегральных схем производят по отдель­ ным, а также по некоторым обобщенным параметрам. Наиболее широко используется такой обобщенный параметр, как работа переключения А — произведение средней мощности и среднего времени задержки ЦИС: A = Pcpt3Cp. Величина А практически постоянна; обычно в широких пределах изменения Рсѵ и t3Cp она зависит лишь от типа ЦИС, -ее конструкции и технологии изго­ товления.

2.6.2. РЕЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Схема

Рассмотрим вначале элемент РТЛ, построенный на дискретных

пряжения), являющимися выходными сигналами других анало­ гичных элементов.

Транзистор Т находится в одном из двух стационарных режи­ мов: либо заперт, либо открыт (и насыщен). Транзистор заперт только в том случае, когда на все входы поданы низкие (по абсо­ лютной величине) уровни напряжения Е° (т. е. напряжения цкш снимаемые с коллекторов предыдущих насыщенных транзисто­ ров). Транзистор Т открыт и насыщен, если хотя бы на один вход подан высокий (по абсолютной величине) уровень напряжения Е 1

выходе транзистора Т — высокий уровень, т. е. сигнал 1; если хотя бы на один вход подан сигнал 1, то транзистор открыт и выход­

143

уровнями; при этом функция ИЛИ реализуется входными резисто­ рами R, а функция НЕ — инвертором на транзисторе Т.

Статические режимы

Эквивалентная схема для режима отсечки транзистора Т при­ ведена на рис. 2.466, уровни сигналов еь е2, ..., е,п на всех in вхо­ дах приняты одинаковыми и равными |ыкп|, R/in— эквивалентное сопротивление пг резисторов связи R.

Аналогично (2.73) напряжение на базе «бэ запертого транзи­ стора Т должно удовлетворять условию

Ao H---------~ ----- m R

Напхудшнй случаи выполнения условия насыщения транзи­ стора Т будет тогда, когда только на одном входе имеется высо­

случая показана на рис. 2.46ß. Согласно этой схеме ток базы на­ сыщенного транзистора

Параметры схемы должны быть выбраны так, чтобы выполня­ лось условие насыщения

Заметим, что величина области работоспособности схемы за­ висит не только от параметров Ек, Ri;, Еф ■■•, но и от чисел m и п. С ростом m и п затрудняется выполнение условий запирания

145

(2.110) и насыщения (2.118); это, в частности, означает, что с их ростом растет влияние разброса сопротивлений и напряжений.

В различных конкретных задачах могут потребоваться крите­ рии работоспособности, отличные от записанных в форме (2.110). Подобными критериями могут быть:

— минимально необходимый коэффициент усиления транзисто­ ра ß == Рмни!

—относительная нагрузочная способность, т. е. максимально допустимое число «макс аналогичных ключей, которые можно под­ ключить к выходу данного ключа;

—абсолютная нагрузочная способность, т. е. максимально воз­ можная мощность, которая может быть отобрана в заданную на­ грузку (усилители и т. д.).

Так, например, из ф-лы (2.116) после элементарных преобра­ зований можно найти

я< п м

Для эскизного расчета можно оценить «макс, если в ф-ле (2.117) пренебречь относительно малыми напряжениями на переходах и считать /коЯк <С Ек:

Из ф-лы (2.117) следует, что рост ямако (а также /ямакс) про­ исходит прежде всего при увеличении Е„, ß и уменьшении допус­ ков на сопротивления.

' Схема с фиксирующим диодом

На рис. 2.46г приведена схема, в которой при помощи диода выходное напряжение закрытого транзистора фиксируется на уровне, величина которого близка к £ф < £„. Действительно, при

146