Файл: Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины.pdf

сторов позволяют почти полностью, а в ряде случаев и совсем исключить всевозможные индуктивно-емкостные корректирующие цепи, оставив из пассивных компонентов только нагрузочные ре­ зисторы. Такие элементы хорошо поддаются микроминиатюри­ зации.

В настоящее время промышленностью выпускаются различные варианты гибридных и монолитных интегральных схем. Рассмо­ трим принципы построения и работы основных типов таких микро­ схем.

Транзисторные логические схемы с непосредственными связя­ ми (ТЛ НС-схемы). Поиски способов построения наиболее простых полупроводниковых схем, удобных для изготовления по интеграль­

ной технологии, привели к созданию так называемых транзистор­ ных схем с непосредственными связями. В такой схеме (рис. 4.20) коллектор одного транзистора соединяется непосредственно с ба­ зой другого без каких-либо переходных элементов. Исследования свойств транзисторов показали, что при малых напряжениях кол­ лекторного питания (например, для кремниевых в пределах от +3 до +5 в) ключевой режим работы транзисторов последовательно включенных инверторов достаточно просто может быть обеспечен лишь за счет разницы в падениях напряжения в насыщенном ре­ жиме на переходах база — эмиттер и коллектор — эмиттер. На­ пример, когда прямым током базы /б.Пр транзистор Т1 открыт и находится в режиме насыщения, остаточное напряжение £/„.н на его коллекторе недостаточно для открывания транзистора Т2.

Рассмотрим совмещенные на одном графике (рис. 4.21) харак­ теристики IK=f (UK) и /б = /(^б) транзистора, включенного по схе­ ме с общим эмиттером. На графике построена нагрузочная прямая

—iLn—- для резистора RK, проведенная из точки Ек. Она Пересе-

кает характеристику /K=f(f/„) в точке а. Из анализа характери­ стик следует, что при полностью открытом транзисторе, работаю­ щем в области насыщения, остаточное напряжение на его коллек­ торе UK.n меньше базового напряжения отсечки Uб.0тсЭто озна­ чает, что, подавая сигнал непосредственно с коллектора открытого транзистора на базу аналогичного другого транзистора, можно

123

надежно удерживать последний в закрытом состоянии. При закры­ вании транзистора (например, Т2 на рис. 4.20) напряжение на его коллекторе повышается и, дойдя до величины Uб.отс, начинает от­ крывать следующий управляемый им транзистор ТЗ. Ток, проте­ кающий через резистор Rk, переключается в базу управляемого транзистора и вводит его в режим насыщения.

При открывании транзистора нагрузки ТЗ ток коллектора за­ крывающегося транзистора Т2 начинает зависеть не только от из­ менения его внутреннего сопротивления. Сказывается шунтирую-

Рис. 4.21. Совмещенные входная и выходные характеристики транзистора

щее действие входного сопротивления нагрузки. С ростом прямого

ное обстоятельство отражено на совмещенных характеристиках из­ ломом нагрузочной линии и более крутым ее спадом при UK> >Т^б.отсПри вхождении транзистора ТЗ в режим насыщения оста-> точное напряжение на коллекторе закрывшегося транзистора Т2 фиксируется на некотором уровне UKмакс=^б.н, где Uб.н— напря­ жение на базе транзистора в режиме насыщения.

Схема на рис. 4.22, а с параллельно включенными кремниевыми транзисторами Т1 — ТЗ типа п — р — п реализует логическую опе­

124

этому если низкое напряжение на входах и выходе соответствует коду 1, то выходной сигнал связан с входными сигналами логи­

ческим соотношением Р=Х\Х2х3, где Р — ыВЫх, *i — их1 и т. д. При подаче иа любой из трех входов сигнала высокого уровня (£/О соответствующий этому входу транзистор открывается и на вы­ ходе напряжение уменьшается. Следовательно, если на входах и выходе коду 1 соответствует высокий уровень напряжения, то схема

реализует логическую операцию Р = х{ \/ x2\Jх 3 (рис. 4.22,6). ■Обычно на практике такого рода схемы рассматривают именно

как элементы ИЛИ — НЕ для сигналов высокого уровня. Когда анализируются вентильные схемы, реализуемые на таких элемен-

тах (ИЛИ — НЕ), логические связи между входами и выходами

записывают для инверсий переменных, т. е. Р = х \Jy=xy. Функцио­ нальной схеме на рис. 4.22, в, рассматриваемой как схема совпаде­

ния для лт, х2 и *з, будет соответствовать логическая связь Р =

= х 1 х2х3.

При расчете схемы прямые базовые токи открытых транзисто­ ров выбираются таким образом, чтобы транзисторы находились в режиме насыщения и на их коллекторах было бы остаточное на­ пряжение UK,н, меньшее напряжения отпирания (С/б.отс) управляе­ мых транзисторов. Тогда все последующие транзисторы, соединен­

к +ЕК, но, как было отмечено выше, этому препятствуют базовые токи следующих открытых транзисторов. Эти напряжения зависят от соотношений величин резисторов RK и сопротивлений открытых переходов база — эмиттер. В схемах на кремниевых транзисторах они обычно составляют 0,85—1,5 в.

125

Нагрузочные резисторы RK рассчитываются таким образом, чтобы при закрытом транзисторе обеспечивалась выдача тока, до­ статочного для поддержания в открытом состоянии п транзисторов нагрузки.

Интегральные монолитные схемы с непосредственными связями имеют достаточно высокое быстродействие. Средние задержки рас­ пространения /З.ср в таких элементах составляют 10—25 нсек. При малых напряжениях источников питания они потребляют сравни­ тельно немного энергии. Для указанного выше диапазона Дер их средние мощности рассеяния Рср соответственно находятся в пре­ делах 10—2 мет.

У|

щJ

Рис. 4.23. Резисторно-транзисторная логическая схема

Однако, несмотря на такие показатели, схемы с непосредствен­ ными связями имеют ограниченное применение. Объясняется это в первую очередь недостатками, являющимися следствием чрез­ мерно высоких требований к параметрам транзисторов, составляю­ щих такие схемы.

Для непосредственного подключения к выходу одной схемы не­ скольких входов других схем особенно необходимо, чтобы входные характеристики транзисторов имели малые разбросы (в пределах нескольких процентов). В противном случае прямые базовые токи Iб.пр, текущие из одного управляющего коллекторного узла к па­ раллельно включенным базам открытых транзисторов, будут рас­ пределяться неравномерно. Это может привести к неустойчивой работе транзисторов одних инверторов и к чрезмерному перенасы­ щению других. Кроме того, при этом снижается нагрузочная спо­ собность управляющих инверторов из-за чрезмерного поглощения тока транзисторами, имеющими малые входные сопротивления и, следовательно, более низкие напряжения на базах.

Резисторно-транзисторные логические схемы (РТЛ-схемы). Чтобы уменьшить разбросы входных сопротивлений инверторов, в базовые цепи их транзисторов включают резисторы Ra (рис. 4.23). Сопротивления этих резисторов могут быть от нескольких десят­ ков ом до 1—1,5 ком.

126

чения меньше. Время задержки распространения £а.Ср у элементов типа РТЛ бывает от 35—50 до 100 и более наносекунд.

У элементов с ^.ср^ЮО нсек средние мощности рассеяния Рср

схем, подобных схеме рис. 4.23, составляют 4 —8 входов аналогич­

ных схем.

Резисторно-конденсаторно-транзисторные логические схемы (РКТЛ-схемы). Для ускорения переключения резисторно-транзи­ сторных схем, имеющих ЯСр=1-=-2 мет и большие задержки /З.ср, доходящие до 500 нсек, параллельно высокоомным резисторам

Рис. 4.25. Резнсторно-конденсаторно-транзисторная логическая схема

задержки распространения сигналов в схемах типа РК.ТЛ полу­ чаются в пределах 100—300 нсек. Остальные их электрические параметры такие же, как и у схем типа РТЛ.

Включение в выходную цепь эмиттерного повторителя, как показано на рис. 4.25 (транзистор Т4 и диод Д), позволяет повы­ сить нагрузочную способность элемента. Например, если сигналом

128

ускоряет спад на выходе напряжения «ПЫх i в момент запирания

транзистора Т4.

Транзисторные логические элементы на переключателях тока (ТЛПТ-схемы). В рассмотренных выше схемах транзисторы рабо­ тают в режиме насыщения, что ограничивает возможности увели­ чения частот их переключения до 1—2 Мгц. Допустимые частоты

условное изображение на функциональных схемах: * — принципиальная схема рас­ ширителя входной логики типового элемента

переключения существенно повышаются (до 10 Мгц и более) в схемах, в которых транзисторы работают в ненасыщенных режи­ мах. Одним из примеров таких схем является транзисторная схе­ ма с объединенными эмиттерами, изображенная на рис. 4.26, а. Принцип действия ее основан на переключении тока либо в тран­ зистор Т4, либо в один, два или все три транзистора Т1 — ТЗ. Это переключение осуществляется входными сигналами их\ — их3, из* меняющимися, например, от U0= +3,5 в до U\ = +4,2 б. Изменение входных сигналов в указанном диапазоне происходит симметрично относительно уровня +3,85 в, подаваемого в виде опорного

129