Файл: Пакулов, Н. И. Мажоритарный принцип построения надежных узлов и устройств ЦВМ.pdf

ния. Из условия обеспечения минимальных токов диодов схемы ИЛИ находим

Подставив необходимые значения величин в выражение i( 1.166), рас­ считаем задержку нарастания напряжения «oi:

и аналогично из выражения (1.170) определим задержку спада uei

Тзс—Т2 In [2«вх в/(«вх в“Н«вх и)] — = 21-10-9 In [2-4,2/(4,2+3,4)] = 2,0 не.

Расчеты показывают, что задержка нарастания и спада напря­ жения «61 относительно входных перепадов составляет 0,52 нс и 2,0 нс соответственно (имеется в виду задержка, измеренная на уровне 0,5 размаха напряжения).

68

В заключение получим формулу для определения мощности, потребляемой диодной частью элемента, и оценим ее численное значение по данным рассматривае­ мого примера. Мощность, потребляемая МЭ типа ПТДЛ, имеет две составляющие: мощность, потребляемая пе­

реключателем тока (Рпт), 11 мощность, потребляемая

диодной частью элемента (Рдл). Порядок расчета пер­

вой составляющей рассмотрен при анализе МЭ типа ПТРЛ. Расчет второй составляющей потребляемой мощ­

ности удобно производить по формуле Р^Л —31Е\, где

/ — усредненное значение токов h , /2 п /3.

Для рассматриваемого примера средние значения то­ ков легко получить из такого соотношения:

Won-

При этом-мощность, потребляемую диодной частью МЭ, найдем по формуле

Рдл = 31Ех= 3-1,7- 10“3 -6,3 = 32 мВт.

1.4. МАЖОРИТАРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ЛОГИКОЙ НА МНОГОЭМИТТЕРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕМ ТОКА (ПТТТЛ)

Диодная часть МЭ (рис. 1.23) выполняет мажоритар­ ную операцию, а переключатель тока и эмнттерные по­ вторители формируют выходные логические уровни пря­ мого и инверсного выходов и способствуют повышению нагрузочной способности элемента. Диоды, выполняю­ щие функции элементов И и элемента ИЛИ, должны иметь крутую вольт-амперную характеристику. Жела­ тельно, чтобы емкости диодов и резисторов были неве­ лики, а вольт-амперпые характеристики всех диодов—■ идентичны, причем, чем меньше падение напряжения на диодах при их прямом смещении, тем лучше. Если в гиб­ ридных схемах применить германиевые диоды, имеющие падение напряжения при прямом смещении 0,1 ... 0,3 В, то в схеме, представленной на рис. 1.23, можно исклю­ чить источник Еi и обойтись только одним источником напряжения питания Е2. При использовании же крем-

69

Ийевых структур необходимо иметь два источника пита­ ния Е1 и Ег.

Так как в МЭ диоды имеют несколько общих точек включения, то е целью повышения технологичности мож­ но предложить схему МЭ (рис. 1.29), в которой сочетает­ ся транзисторно-транзисторная логика с переключателем тока (в дальнейшем будем называть такой элемент МЭ типа ПТТТЛ). На двуэмиттерных транзисторах 77, Т2 и ТЗ выполняется мажоритарная логика для трех вход­ ных сигналов «вх1, Мвх2 и «вхз- Коллекторы многоэмиттерных транзисторов объединены и образуют схему ИЛИ.

сочетается транзисторно-транзисторная логика с переключателем то­ ка (МЭ типа ПТТГЛ).

В отличие от схем типа ТТЛ здесь эмиттерные пере­ ходы при воздействии на оба эмиттера высоких уровней не должны смещаться в обратном направлении. В этом случае задача многоэмиттерного транзистора заключает­ ся в передаче без изменения входного уровня напряже­ ния на базу транзистора 77. В этой схеме резистор R4 предотвращает запирание коллекторных переходов многоэмиттерных транзисторов. Отличительной особенностью элемента типа ПТТТЛ по сравнению с элементами типа ТТЛ является способность его работать при малых пере­ падах входных и выходных напряжений порядка 0,7 ...

... 0,8 В. Элемент типа ПТТТЛ может обладать более высоким быстродействием по сравнению с элементом типа ПТДЛ за счет уменьшения паразитных емкостей.

Так как эмиттерные переходы многоэмиттерных тран­ зисторов открыты при воздействии как низких так и вы-

70

соких уровней входных напряжений, то нагрузочная спо­ собность таких элементов должна быть ниже, а потреб­ ляемая мощность выше по сравнению с элементами типа ТТЛ.

Если учесть, что роль входных диодов МЭ типа ПТДЛ в элементах типа ПТТТЛ играют эмиттерные пе­ реходы многоэмиттерных транзисторов, а роль диодов схем ИЛИ — коллекторные переходы этих транзисторов, то анализ элементов типа ПТТТЛ будет иметь много общего с анализом элементов типа ПТДЛ. Кроме того, при необходимости можно воспользоваться хорошо раз­ работанным аппаратом анализа элементов типа ТТЛ, приведенным, например, в литературе i[l и 2]. Примене­ ние методов обобщения результатов анализа двух со­ ставных частей МЭ' проиллюстрировано дважды при анализе элементов типа ПТРЛ и ПТДЛ. Поэтому необ­ ходимость проведения анализа элементов типа ПТТТЛ отсутствует.

Учитывая, что в элементах типов ПТДЛ и ПТТТЛ пределы изменения входных напряжений и напряжения «61 почти совпадают, можно сделать вывод о том, что по­ мехоустойчивость элементов типов ПТДЛ и ПТТТЛ при­ мерно равна помехоустойчивости элементов типа ПТТЛ

(П «0,5).

1.5. МАЖОРИТАРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ДИОДНОЙ ЛОГИКОЙ И ТРАНЗИСТОРНЫМ КЛЮЧОМ (ДТЛ)

Схемные особенности. Выбор метода анализа

Схема мажоритарного элемента типа ДТЛ приведена на рис. 1.30. На этом рисунке кроме основного элемента показан пунктиром один из элементов аналогичного ти­ па, формирующий входные сигналы.

В рассматриваемом элементе назначение диодов Д /—Д9 такое же, как и в элементах типа ПТДЛ. Однако режим их работы здесь отличается от режима работы диодов .в элементе типа ПТДЛ. Диод Д10 вместе с диодами Д7—Д9, выполняющими логическую опера­ цию ИЛИ, обеспечивает смещение уровня напряжения на базе тран­ зистора 77. Наличие дополнительного диода Д10 позволяет создать достаточно низкий уровень напряжения на базе транзистора, при котором транзистор оказывается надежно закрытым.

На транзисторе 77 выполнен ключ, инвертирующий сигнал и формирующий его фронт, срез, верхний и нижний уровни напряже­ ний, Вместо однотранзисторного инвертора может быть использован

71

сложный инвертор, нашедший широкое применение в ДТЛ- и ТТЛэлементах. Резистор R4 вместе с источником Е3 обеспечивает необ­ ходимый ток через смещающие диоды Д7—Д10. Током / 1 (рис. 1.30) чти диоды поддерживаются в открытом состоянии при различных уровнях входных сигналов. Нижний уровень напряжения на базе 71 должен выбираться исходя из условия создания необходимого по­ рога запирания транзистора. Наличие резистора R4 и источника Е3 способствует ускорению процесса выключения транзистора. Однако применение трех источников питания является недостатком, поэтому одновременно с усложнением схемы инвертора обычно стремятся

Рис. 1.30. Принципиальная схема МЭ с диодной логикой и транзи­ сторным ключом (МЭ типа ДТЛ).

исключить источник Е3, а в некоторых случаях и резистор R4. Кро­ ме того, в кремниевых интегральных микросхемах может отсутст­ вовать и диод Д10. Особенно это характерно для схем со сложным инвертором. Здесь же для общности анализа сохраняются источник Е3, резистор R4 и диод Д10.

Несмотря на схемные усложнения, вызванные необ­ ходимостью реализации мажоритарной логики, рассма­ триваемый элемент во многом сходен с широко извест­ ными элементами типа ДТЛ. Поэтому для анализа МЭ типа ДТЛ можно в полной мере использовать детально разработанный аппарат анализа диодно-транзисторных логических схем [1, 2, 5, 11], а также аппарат, предло­ женный выше для анализа МЭ типа ПТДЛ. Следователь­ но, нет необходимости проведения детального анализа МЭ типа ДТЛ. Для учета схемных особенностей и ре­ жима работы элементов целесообразно воспользоваться приближенными методами. Это позволит с помощью простейших вычислений и численных оценок выявить все

72

необходимые особенности схемы, установить взаимосвязь токов и напряжений в различных цепях и получить вы­ ражения для основных параметров элемента. В дальней­ шем наряду с анализом будут проводиться и количест­ венные оценки.

Анализ статического режима

Для проведения анализа статического режима вос­ пользуемся простейшей аппроксимацией вольт-амперной характеристики диода (рис. 1.27) и входной характери­ стики транзистора (рис. 1.31). Кроме того, будем пре­ небрегать обратными токами диодов и считать все диоды идентичными. Допустим, что напряжение на открытом

диоде ид составляет-0,7 В, а напряжение па эмиттериом

переходе открытого («бэ) или открытого и насыщенного («баи) транзистора составляет 0,8 В. В качестве исход­ ного примем такое состояние МЭ, когда на всех его вхо­ дах действуют низкие уровни. В схемах с простым инвер­ тором обычцо используется режим насыщения транзи­ стора. В этом случае нижний уровень входных и выход­ ных напряжений определяются [напряжением икаи между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора.

Врасчетах условимся считать иКон= 0,3 В. Таким образом, в исходном состоянии

(1.173)

диоды Д1—Д 6 открыты и напряжения между точками 1,

Источник Ея поддерживает диоды Д7—Д10 в открытом состоянии, поэтому напряжение ыгп между базой тран­ зистора и общей шиной

Мб1 — м, — 2«л = икэ а-f- Чд 2w^ — икэ я Цд (1.17о)

Так как обычно Мкэн<«д* то «6i<0. Транзистор Т1 удерживается в закрытом состоянии этим напряжением. В этом случае на выходе МЭ формируется верхний уро­ вень напряжения

Если подставить численные значения ид и «кон, приня­ тые ранее, в выражения (1.173—(1.175), то получим

73