Илюхин А.В. Логические автоматы. Типовые комбинационные схемы

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 2.3. Три части логического элемента

Стремление избавиться от существенных недостатков диод-

ных логических элементов, приведённых выше, привело к разработ-

ке диодно-транзисторных логических элементов.

2.1.

СХЕМОТЕХНИКА БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА ДИОДНО – ТРАНЗИСТОРНОЙ

ЛОГИКИ

В этом названии отражён тот факт, что во входной части схе-

мы используются диоды, а остальные части выполнены на транзи-

сторах.

Хотя ИЦМ диодно–транзисторной логики уже сняты с произ-

водства, рассмотрение схемотехники начнём именно с этих элемен-

тов, поскольку на их основе проще всего понять принципы реализа-

ции логических функций.

Базовым элементом ДТЛ логики является элемент «И-НЕ», с

помощью которого (на основе теоремы де Моргана) можно строить

логические элементы, реализующие любые другие логические

функции. Принципиальная электрическая схема базового элемента

ДТЛ логики приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Базовый элемент ДТЛ - логики

В этой схеме диоды VD

, VD

и резистор R

образуют зна-

комый нам диодный логический элемент «И», а транзистор VT

и ре-

зисторы R

, R

образуют восстановитель и буфер. Поскольку тран-

зисторный каскад с нагрузочным резистором в коллекторе инверти-

рует сигнал, то VT

выполняет также функцию инвертора. Диоды

, VD

выполняют функцию связи между комбинатором и инвер-

тором.

Резистор R

обеспечивает подачу напряжения смещения на

базу транзистора, т.е. удерживает транзистор в запертом состоянии

и служит для отвода тока утечки транзистора.

Диоды VD

, VD

называются диодами смещения. Они не вы-

полняют никаких логических функций и предназначены для смеще-

ния уровня напряжения на базе транзистора относительно напря-

жения в точке соединения диодов комбинатора за счет постоянного

падения напряжения на них. Наличие этих диодов обеспечивает на-

дежное запирание транзистора в том случае, если хотя бы на одном

из входов схемы действует низкий уровень напряжения (логический

нуль).

2.2.

СХЕМОТЕХНИКА БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА ТРАНЗИСТОРНО-

ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ

Базовым элементом ТТЛ - логики является элемент «И-НЕ»,

упрощённая принципиальная электрическая схема которого пред-

ставлена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Базовый элемент ТТЛ - логики

Элемент ТТЛ появился как результат развития элемента ДТЛ

благодаря замене матрицы диодов многоэмиттерным транзистором

(МЭТ), представляющим собой интегральный прибор, объединяю-

щий свойства диодных логических схем и транзисторного усилите-

ля. Функция «И» в МЭТ выполняется в общих для нескольких эмит-

теров базовой и коллекторной областях. Основное структурное от-

личие МЭТ от обычных транзисторов в том, что он имеет несколько

эмиттеров, расположенных таким образом, что прямое взаимодей-

ствие между ними через разъединяющий их участок пассивной базы

практически исключается. Многоэмиттерный транзистор представ-

ляет собой совокупность нескольких транзисторных структур,

имеющих общий коллектор и общую базу и непосредственно взаи-

модействующих один с другим только за счет движения основных

носителей.

Комбинационная часть логического элемента представлена

многоэмиттерным транзистором МЭТ. На схеме показаны два эмит-

тера, но их может быть и больше. Каждый входной сигнал подается

на свой эмиттер. Каждый эмиттер образует pn-переход с базой. При

этом подразумевается, что если хотя бы один переход база-эмиттер

имеет достаточное прямое смещение, то транзистор находится в

проводящем состоянии, т. е. через вывод коллектора может проте-

кать ток.

Поскольку на базу через резистор подается положительный

потенциал, то переход база-эмиттер оказывается смещенным впе-

ред всякий раз, когда потенциал соответствующего эмиттера близок

к «нулевому», т. е. к потенциалу заземленной точки. Таким образом,

транзистор будет находиться в проводящем состоянии, если хотя

бы один эмиттер имеет низкий потенциал (логический ноль). В этом

случае через эмиттеры с низким потенциалом будет протекать зна-

чительный ток, обусловленный в основном током базы. Когда на все

эмиттеры подается высокий потенциал (логическая единица), тран-

зистор закрыт и ток во всех эмиттерах очень слабый.

Восстановительная часть состоит из транзистора VT

и двух

резисторов R

, R

. База транзистора VT

соединена с коллектором

МЭТ, так что ток коллектора МЭТ является током базы VT

. Когда

транзистор МЭТ комбинатора открыт, ток протекает от его коллек-

тора к эмиттеру или эмиттерам, имеющим низкий потенциал. На-

правление этого тока противоположно тому, которое должен иметь

ток базы транзистора VT

для того, чтобы его переход база-эмиттер

имел прямое смещение. Это означает, что всякий раз, когда МЭТ

открыт, транзистор VT

закрыт.

В действительности заметный ток протекает от базы VT

к кол-

лектору МЭТ лишь в течение коротких периодов, требующихся для

того, чтобы VT

перешел из насыщенного состояния в закрытое.

Этот ток поддерживается уходящими из области базы VT

заряда-

ми, накопившимися за то время, пока транзистор VT

находился в

насыщенном состоянии. После того как VT

оказывается закрытым,

через его базу проходит лишь очень слабый ток.

Если МЭТ закрыт, его переход база-коллектор смещен в пря-

мом направлении благодаря тому, что к резистору базы приложен

потенциал +Uпит. Поэтому переход база-коллектор МЭТ, как и лю-

бой p-n-диод, имеющий прямое смещение, должен находиться в

проводящем состоянии. Это в свою очередь обусловливает прямое

смещение перехода база-эмиттер VT

, так что он оказывается в на-

сыщенном (проводящем состоянии). Каждое из этих двух противо-

положных состояний транзистора VT

(отсечка и насыщение) на-

блюдается на самом деле для целого диапазона условий на входе.

В этом смысле цепь транзистора VT

действительно играет роль

восстановителя сигнала.

Буферная часть логического элемента содержит два транзи-

стора VT

и VT

. VT

служит для того, чтобы обеспечить высокий

уровень потенциала на выходе логического элемента, а VT

- на-

оборот, чтобы сделать его низким. Транзистор восстановительной

части управляет этими двумя транзисторами в дополнительном ре-

жиме. Когда VT

закрыт, база VT

имеет потенциал общего провода,

а база VT

имеет высокий потенциал. Поэтому VT

находится в про-

водящем состоянии, а VT

закрыт.

Когда VT

находится в проводящем состоянии, базы обоих

транзисторов буферного каскада имеют потенциал промежуточной

величины, достаточной для того, чтобы VT

проводил ток, но не дос-

таточной для того, чтобы проводил VT

. Как показано на рис. 2.5,

последовательно с VT

подключен диод VD

. Последний служит для

того, чтобы повысить потенциал эмиттера VT

приблизительно на

0.7 В и тем самым гарантировать, что этот транзистор будет закрыт

при открытых VT

и VT

. Небольшое сопротивление R

включено по-

следовательно с транзисторами буферного каскада, чтобы ограни-

чить ток, протекающий через них во время перехода из одного со-

стояния в другое, когда оба транзистора находятся в частично про-

водящем состоянии.

На входах логического элемента установлены входные диоды

и VD

, предназначенные для ограничения амплитуды отрица-

тельных сигналов (помех), образующихся при распространении сиг-

налов в линиях связи между ИЦМ из-за отражения на концах несо-

гласованных линий или при подключении к входам логического эле-

мента схем, способных вырабатывать сигналы отрицательной (от-

носительно общего провода) полярности, например, дифференци-

рующих цепей.

Многоэмиттерный транзистор допускает количество входов

Х≤8. Увеличение количества входов расширяет логические возмож-

ности элемента, но ухудшает его динамические характеристики.

Заметного увеличения быстродействия и снижения потреб-

ляемой мощности позволяет достичь другая разновидность схем,

выпускаемая на основе ТТЛ-технологии. Этот эффект достигается

благодаря применению диодов и транзисторов Шоттки. Диод Шоттки

основан на переходе, образующемся на границе металла и полу-

проводникового материала n-типа (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Структура диода Шоттки

Основными носителями заряда как в металле, так и в полу-

проводнике являются электроны. Однако электроны в полупровод-

нике находятся на более высоких энергетических уровнях. Как след-

ствие, в результате диффузии больше электронов будет переходить

из полупроводника в металл, отдавая при этом часть своей энергии,

и меньше в противоположном направлении. В результате на грани-

це образуется контактная (внутренняя) разность потенциалов, пре-

пятствующая дальнейшей диффузии.

Эту внутреннюю разность потенциалов можно перекрыть, при-

ложив внешнее напряжение к диоду таким образом, чтобы металл

обладал положительным потенциалом по отношению к проводнику.

В этом случае, в результате усиления диффузии электронов от по-

лупроводника к металлу через диод потечет ток. Если внешнее на-

пряжение приложить в противоположном направлении, ток будет

очень незначительным.

Таким образом, диод Шоттки обладает выпрямляющими свой-

ствами подобно диоду с p-n-переходом. Однако высокой скорости

переключения, или быстродействию диода Шоттки не препятствует

накопление неосновных носителей заряда, как это имеет место в p-

n-диоде. Причина заключается в том, что в диоде Шоттки электроны

являются основными носителями заряда в обеих областях. Для

обозначения диодов Шоттки на принципиальных электрических схе-

мах используется специальный символ, показанный на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Условное обозначение диода Шоттки

Помимо того, что диод Шоттки отличается более высоким бы-

стродействием, он отличается еще одним свойством - падение на-

пряжения на нем при прямом токе меньше, чем у p-n-диода, и со-

ставляет около 0.2 … 0.3 В. Благодаря этому диоды Шоттки приме-

няются в комбинации с биполярными транзисторами, чтобы повы-

сить их быстродействие. Если диод Шоттки подключить между ба-

зой и коллектором транзистора той же полярности в направлении от

базы к коллектору (как показано на рис. 2.8), то напряжение на p-n-

переходе база-коллектор не сможет достигнуть пороговой величины

порядка 0,7 В, необходимой для прямого смещения этого перехода.

Как следствие, транзистор не перейдет в состояние глубокого на-

сыщения, а это, в свою очередь, приведет к тому, что скорость пе-

реключения транзистора из открытого состояния в закрытое повы-

сится, так как уменьшится степень накопления неосновных носите-

лей заряда в базе транзистора. Такой комбинированный полупро-

водниковый прибор носит название транзистора Шоттки и символи-

чески обозначается на принципиальных электрических схемах сим-

волом, показанным на рис. 2.9.

Рис. 2.8. Транзистор с

диодом Шоттки между

коллектором и базой

Рис. 2.9. Условное

обозначение тран-

зистора Шоттки

Интересный факт заключается в том, что изготовители схем

ТТЛШ в какой-то степени отклоняются от традиционных для ТТЛ

конфигураций, поскольку базовые элементы ТТЛШ скорее могут

быть отнесены к ДТЛ - логике, из-за того, что комбинирование вход-

ных сигналов осуществляется за счет диодов Шоттки. Тем не менее,

по уровням напряжения и тока, а также направлению токов такие

логические элементы эквивалентны схемам, использующим на вхо-

де МЭТ.

Схема базового элемента серий 533 (SN54HS) и 555 (SN74HS)

представлена на рис. 2.10.

На входе выполнены матрицы диодов Шоттки. Конъюнкция

реализуется на диодах VD

…VD

и резисторе R

, которые образуют

комбинатор, на транзисторе VT

построен восстановительный кас-

кад с источником тока на транзисторе VT

, буферный каскад органи-

зован на транзисторах VT

…VT

. Транзисторы всех каскадов содер-

жат переходы Шоттки.

Рис. 2.10. Схема базового элемента серий 533 и 555

При подключении одного из катодов диодов VD

…VD

к потен-

циалу низкого уровня U

транзистор VT

запирается, так как напря-

жение U

БЭVT1

= U

+ U

VD1,2,3

- U

БЭVT5

VD1,2,3

- падение напряжения на

одном из диодов VD

…VD

) оказывается недостаточным для отпи-

рания. Ток базы при этом близок к нулю, а входной ток определяет-

ся резистором R

. На коллекторе транзистора VT

устанавливается

потенциал, отпирающий транзисторы VT

и VT

, и на выходе логи-

ческого элемента устанавливается напряжение Uл ед.

3343..

RIUUUU

БVTБЭVTБЭVTпедл

⋅

−

−=

Если же на все входы поступает уровень логической единицы

, то через диоды VD

…VD

будет протекать обратный ток, не пре-

вышающий 20 мкА и являющийся входным током логической едини-

цы. Транзистор VT

отпирается, транзисторы VT

и VT

закрывают-

ся, транзистор VT

открывается, формируя выходное напряжение

низкого уровня Uл н.

5. КЭVTнл

Несколько по-другому строится базовый логический элемент

серии 1533. На входе элемента использованы p-n-p - транзисторы,

что позволило повысить помехоустойчивость схемы за счет увели-

чения порога переключения, нагрузочную способность в результате

уменьшения входного тока, увеличить быстродействие путем ис-

пользования p-n-p транзистора, работающего в активном режиме.

В устройствах логического управления и автоматики, требую-

щих высокой производительности, широкое применение получили

ИС серии 530 и 1531.

Входной каскад базового элемента серии 530 выполнен на

многоэмиттерном транзисторе Шоттки в отличие от базового эле-

мента серии 533, где используется диодная матрица-коньюнктор.

Существует ещё несколько разновидностей построения базо-

вых элементов ТТЛ - логики (например, в схеме базового логическо-

го элемента серии КР1531 применены p-n - диоды, что позволило

снизить входной ток высокого уровня до 20 мкА при входном токе

низкого уровня не более 0,6 мА), но основные принципы их функ-

ционирования остаются прежними, поэтому закончим описание

элементов ТТЛ. Тем более, что это в большей мере относится к кур-

су «Электроника», а не к «Логическим автоматам», которые мы изу-

чаем.

2.3.

СХЕМОТЕХНИКА БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА КМДП-ЛОГИКИ

С момента появления полевых транзисторов началась интен-

сивная разработка логических элементов на их основе, поскольку

основное преимущество полевых транзисторов – высокое входное

сопротивление и малая потребляемая мощность - полностью соот-

ветствует генеральному направлению совершенствования ИЦМ.

Было разработано несколько семейств ИЦМ на полевых тран-

зисторах. Два широко известных семейства построены на основе n-

МОП-технологии и p-МОП-технологии и используют соответственно

n-канальные и р-канальные транзисторы. Однако с момента разра-

ботки КМОП-технологии, использующей в одной схеме как n-

канальные, так и р-канальные полевые транзисторы, все усилия

разработчиков направлены именно на совершенствование ИЦМ

данного типа, а n-МОП и p-МОП ИЦМ постепенно вытесняются бо-

лее экономичными КМОП-сериями.

Основным преимуществом технологии КМОП является то, что

все транзисторы, входящие в состав ИЦМ, нормально закрытые,

благодаря чему в статическом режиме практически не потребляют

энергии (из-за высокого сопротивления закрытого перехода сток-

исток). Все логические элементы КМОП выполняются в виде схем с

непосредственными связями, поэтому в базовых элементах нельзя

выделить знакомые нам три части (комбинатор, восстановитель и

буфер), поскольку они реализуются на одних и тех же транзисторах.

По этой причине в КМОП - логике отсутствует единый базовый эле-

мент, а схемы, реализующие ту или иную логическую функцию,

строятся на основе инвертора, который и можно принять за базовый

элемент.

Принципиальная электрическая схема КМОП-инвертора при-

ведена на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Инвертор КМОП

КМОП-элемент всегда состоит из двух частей, одна из которых

понижает потенциал на выходе при определенных условиях на вхо-

де, а другая, наоборот, повышает уровень выходного сигнала при

других сигналах на входе. Обе части выполнены в виде схем с не-

посредственной связью.

«Понижающая» часть инвертора представлена n-канальным

нормально закрытым МОП-транзистором VT

, сток которого соеди-

нен с выходом, а исток - с землей. «Повышающая» часть представ-

лена р-канальным нормально закрытым МОП-транзистором VT

сток которого соединен с выходом, а исток – с +U

пит

. Вход инвертора

через резистор R

соединен с затворами обоих транзисторов.

VT2 открывается, когда напряжение на входе превышает неко-