Цифровые логические элементы

Итак у нас есть куча схем для нашего БК и достаточно подробное описание работы, но понятнее от этого нам не становится если мы не знаем как работают ИМС (интегральные микросхемы). И так давайте устраним это недоразумение...

Классификация и основные параметры.

Цифровые логические элементы на интегральных микросхемах (ИМС) — это микроэлектронные изделия, предназначенные для преобразования и обработки дискретных сигналов. В зависимости от вида управляющих сигналов цифровые ИМС можно разделить на три группы: потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные.

Подавляющее большинство логических элементов относится к потенциальным, в них используются только потенциальные сигналы и совсем не используются импульсные сигналы.

В импульсных цифровых ИМС используются только импульсные сигналы и совсем не используются потенциальные. В таких ИМС управление осуществляется по перепаду потенциала во время импульса. При этом могут использоваться как положительные перепады так и отрицательные.

В импульсно-потенциальных ИМС могут использоваться как потенциальные, так и импульсные сигналы. При этом импульсные входы, управляемые перепадом напряжения, обозначают косой чертой, указывающей направление перепада напряжения (/ или \).

Все логические элементы описываются набором параметров, которые оговорены в технических условиях (ТУ). Использование параметров, не записанных в ТУ, не разрешается, так как в процессе совершенствования изделия они могут изменяться. К основным параметрам логических элементов относятся:
- набор логических функций;
- число входов по И и по ИЛИ;
- коэффициент разветвления по выходу;
- потребляемая мощность;
- динамические параметры: задержка распространения сигнала и (или) максимальная частота входного сигнала.

В табл. приведены основные логические функции, обозначения соответствующих элементов и их схемы.

Логические операции с цифровыми сигналами.
где А и В - входные сигналы, f - выходной итоговый сигнал.

Отрицание. Операция «НЕ»
A_|_f=not A
0_|_1
1_|_0

Конъюнкция (логическое умножение). Операция «И»
A_|_B_|_f=A and B
0_|_0_|_0
1_|_0_|_0
0_|_1_|_0
1_|_1_|_1

Дизъюнкция (логическое сложение). Операция «ИЛИ»
A_|_B_|_f=A or B
0_|_0_|_0
1_|_0_|_1
0_|_1_|_1
1_|_1_|_1

Инверсия функции конъюнкции. Операция «И-НЕ»
A_|_ B_|_f=not(A and B)
0_|_0_|_1
0_|_1_|_1
1_|_0_|_1
1_|_1_|_0

Инверсия функции дизъюнкции. Операция «ИЛИ-НЕ»
A_|_ B_|_f=not(A or B)
0_|_0_|_1
0_|_1_|_0
1_|_0_|_0
1_|_1_|_0

Сложение по модулю 2. Операция «Исключающее ИЛИ»
A_|_B_|_f=A xor B
0_|_0_|_0
0_|_1_|_1
1_|_0_|_1
1_|_1_|_0


Число входов по И и по ИЛИ лежит в пределах от 2 до 16. Если имеющегося числа входов недостаточно, то для их увеличения используются интегральные схемы расширителей по ИЛИ, обозначаемые ЛД.

Коэффициент разветвления по выходу характеризует нагрузочную способность логического элемента и определяется количеством входов однотипных элементов, которые можно подключить к выходу.

Сигнал на выходе логического элемента задерживается относительно входного сигнала. Эта задержка определяет не только быстродействие цифровых схем, но и их работоспособность.
Мощность, потребляемая логической ИМС, обычно зависит от сигналов, поданных на входы. Для сравнения потребляемой ИМС мощности пользуются понятием средней мощности Pср. потребляемой базовым логическим элементом во включенном и выключенном состояниях. Это позволяет сравнивать по потребляемой мощности логические ИМС различных серий.

Серийные логические ИМС.

В зависимости от технологии изготовления логические ИМС делятся на серии, отличающиеся набором элементов, напряжением питания, потребляемой мощностью, динамическим параметрам и др. Наибольшее применение получили серии логических ИМС, выполненные по ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) и КМОП (комплементарная МОП логика) технологиям. Каждая из перечисленных технологий совершенствовалась, поэтому в каждой серии ИМС имеются подсерии, отличающиеся по параметрам.

ТТЛ

В ИМС, выполненных по технологии ТТЛ, в качестве базового элемента используется многоэмиттерный транзистор. Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) отличается от обычного транзистора тем, что он имеет несколько эмиттеров, расположенных так, что прямое взаимодействие между ними исключается. Благодаря этому переходы база-эмиттеры МЭТ можно рассматривать как параллельно включенные диоды.

ИМС, выполненных по технологии ТТЛ, использовался сложный инвертор с двуполярным ключом, а для исключения насыщения МЭТ применялись диоды Шотки с малым падением напряжения в прямом направлении (ТТЛШ).

Первым разработчиком ИМС по технологии ТТЛ является фирма Теха Instruments, которая выпустила ИМС серии SN74. Дальнейшие усовершенствования этой серии были направлены на повышение быстродействия и снижение потребляемой мощности. В табл. приведены серии отечественных микросхем их соответствие различным сериям микросхем SN74/54.

Основные параметры ИМС ТТЛ различных серий.

Таблица соответствия.

Обозначения: L (low) - маломощная серия, Н(high) - быстродействующая серия, LS (low, Shottky) - маломощная с диодами Шотки, S (Shottky) - с диодами Шотки, ALS - усовершенствованная с диодами Шотки, F (fast) - сверхбыстродействующая.

По сочетанию параметров наибольшее распространение получили ИМС серии SN74L(серия 555). ИМС этой серии работают при напряжении питания +5 В разброс 5%.

ЭСЛ

В ИМС, выполненных по технологии ЭСЛ, в качестве базового элемент используется дифференциальный усилитель. Упрощенная схема логической элемента ИЛИ-НЕ с дифференциальным усилителем приведена на рис.


Большое быстродействие ИМС ЭСЛ обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в ненасыщенном (линейном) режиме. На выходе элемента применяется эмиттерный повторитель, который обеспечивает быстрый заряд емкости нагрузки.

Дифференциальный усилитель выполнен на транзисторах VT1 ... VT3, а эмиттерный повторитель на транзисторе VT4. Выходной сигнал можно снимать с инверсного выхода ДУ, как приведено на рисунке, что обеспечивает операцию НЕ, так и с неинверсного выхода (с коллектора VT3), что обеспечивает выполнение операции ИЛИ без инверсии.

Повышение быстродействия в этих элементах достигается также ограничением перепада выходного напряжения, что связано с уменьшением помехоустойчивости

Серия и основные параметры ИМС ЭСЛ

ИМС ЭСЛ. Для ограничения перепада выходного напряжения используются источники опорного напряжения Еоп и смещения Eсмю Все входы дифференциального усилителя подключены через резисторы Rб к источнику питания, что позволяет неиспользуемые входы ИМС оставлять неподключенными.

Первым разработчиком ИМС по технологии ЭСЛ была фирма Motorola, которая выпустила серию ИМС МС 10000 (МС10К). Микросхемы серий 500 и 1500 имеют несколько отличающиеся напряжения питания (-5,2В и -4,5В), однако по уровням входных и выходных логических сигналов они совместимы. Напряжение логического нуля равно -1,8В, а напряжение логической единицы равно -0,9 В.

КМОП

В ИМС, выполненных по технологии КМОП, в качестве базового элемента используются ключевые схемы, построенные на комплементарных МОП-транзисторах.


На рис. приведена схема логического элемента И-НЕ, выполненного по технологии КМОП. Эта схема состоит из двух групп ключей на полевых транзисторахVT1, VT2 и VT3. Каждая группа управляется одним сигналом Х1 или Х2.

Применение полевых транзисторов с изолированным затвором обеспечивает высокое входное сопротивление микросхем КМОП. Благодаря малой входной емкости и высокому сопротивлению микросхемы КМОП чувствительны к статическому электричеству. Пробой изоляции под затвором происходит при напряжении около 30В, в результате чего транзистор повреждается.

Серии логических ИМС КМОП

Защита входов ИМС КМОП осуществляется с помощью встроенных диодов или стабилитронов, подключенных к линиям питания ИМС.

Достоинствами ИМС КМОП являются малая потребляемая мощность и высокая помехозащищенность в сочетании с высоким быстродействием и нагрузочной способностью. Питание таких ИМС производится от источника напряжения +5...+15В.

Разработка первых ИМС КМОП серии CD4000 была выполнена фирмой RCA в 1968 г. Позднее эта фирма выпустила еще две серии усовершенствованных ИМС CD4000A и CD4000B. По сравнению с ИМС ТТЛ микросхемы КМОП имеют следующие достоинства:
- малая потребляемая мощность в диапазоне частот до 2 МГц (мощность в статическом режиме не превышает 1 мкВт);
- большой диапазоне напряжений питания (от 3 до 15 В);
- очень высокое входное сопротивление (больше 1 МОм);
- большая нагрузочная способность (коэффициент разветвления больше 50). К недостаткам ИМС КМОП относятся:
- большие времена задержки (до 100нс);
- повышенное выходное сопротивление (до 1 кОм);
- значительный разброс всех параметров.

Основные параметры ИМС КМОП

Уровни выходных сигналов зависят от напряжения питания.
Совершенствование технологии ИМС КМОП привело в настоящее время к тому, что характеристики наиболее быстродействующих ИМС КМОП серии 54НС практически сравнялись с характеристиками ИМС ТТЛ серии SN74TS.

Подробные характеристики ИМС:
"Сравнительные характеристики семейства логических ИМС" http://dump.ru/file/2332846