Особенности логических элементов на интегральной основе

Логические элементы предназначены для реализации определенных логических зависимостей между входными и выходными сигналами. Они имеют один или несколько входов и один или два выхода (часто прямой и инверсный).

Система функций, посредством суперпозиции которых можно представить любую функцию из данного класса, называется базисом. Для построения систем ЛЭ могут использоваться различные базисы. Однако наибольшее распространение получили системы ЛЭ, построенные на основе элементов И, ИЛИ, НЕ.

Основные требования к ЛЭ:

- повышенная надежность и помехоустойчивость;

- относительно невысокое быстродействие.

Под помехоустойчивостью понимают способность ЛЭ функционировать с заданными значениями выходных характеристик при наличии помех на входе ЛЭ, не превышающих заданный уровень.

Различают статическую и импульсную помехоустойчивость ЛЭ. Статическая помехоустойчивость ЛЭ является одним из основных электрических параметров.

Статическая помеха имеет продолжительность, значительно превышающую длительность переходного процесса. Импульсная помеха имеет продолжительность действия сравнимую с длительностью переходных процессов.

Импульсная помехоустойчивость может быть повышение как совершенствованием методов конструирования и производства интегральных схем (ИС), так и тщательной проработкой заземления, экранирования развязки и топологии функциональных элементов.

Рекомендации

- связи между ЛЭ в функциональных элементах должны иметь минимально возможную длину;

- ширина печатных проводников должна быть максимально возможной, так как большинство помех являются радиочастотными сигналами и распространяются по поверхности проводников;

- цепи, потребляющие большой ток, должен подключаться к источнику питания отдельными шинами;

- следует различать заземление и общую шину; заземленная шина не должна использоваться для передачи мощности. Земляной и общий провод необходимо соединять только в одной точке системы, в противном случае образуется замкнутый контур, излучающий помехи.

- не следует применять ЛЭ с высоким быстродействием, если в этом нет необходимости, так как невосприимчивость к импульсным помехам ЛЭ тем выше, чем ниже их быстродействие.

Логические элементы на интегральных схемах (ИС) позволяет резко уменьшить размеры и потребляемую мощность, повысить надежность, усложнить выполняемую логическую функцию. Имеют высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов или кристаллов.

ИС – это устройство, содержащее все элементы, выполненные на общем «твердом основании» и заключенные в общем корпусе.

Главной характеристикой микросхемы является степень интеграции, т.е. число элементов в корпусе.

По степени интеграции микросхемы делятся на 4 класса:

- ИС – до 40 вентилей;

- СИС – средние ИС, содержащие сотни вентилей;

- БИС – большие ИС, содержащие тысячи вентилей;

- СБИС – сверхбольше ИС, содержащие десятки тысяч вентилей.

Транзисторные ИС делятся на две группы:

- биполярные;

- металл-окисел (диэлектрик) – полупроводник (МОП) или МДП.

Особенностью последних является малое потребление мощности, что позволяет увеличить степень интеграции.

Различают МОП с положительными р – носителями и отрицательными n – носителями.

ИС на основе биполярных транзисторов в зависимости от технологического изготовления бывают: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика); ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика); Н²Л (интегральная инжекторная логика).

ИС с биполярными транзисторами имеют высокое быстродействие, однако степень интеграции этих схем ограничена потребляемой мощностью.

Микросхемы с МОП – транзисторами технологически несколько сложнее, однако быстродействие их много выше.

Различают цифровые и аналоговые ИС. Первые оперируют с информацией, представляемой в дискретной двоичной форе в виде комбинации двух цифр 0 и 1. Они выполняют арифметические действия и операции двухзначной алгебры логики.

Аналоговые ИС оперируют с информацией в аналоговой форме, не закодированной в цифры, т.е. в форме непрерывных функций, представленных в виде напряжений или токов. Над этими функциями выполняются аналоговые операции усиления, сравнения, перемножения, фильтрации формирования сигналов.

Аппаратура, реализованная на ИС имеет ряд достоинств:

- уменьшение габаритов, массы, потребляемой мощности;

- сокращается время разработки;

- уменьшается трудоемкость монтажно-сборочных работ;

- сокращаются сроки наладки готовой аппаратуры.

Устройства, построенные на микроэлектронных ЛЭ по своим характеристикам превосходят элементы, выполненные на дискретных компонентах.

В настоящее время наиболее распространенны три технологии изготовления логических элементов: ТТЛ (и ТТЛШ), КМДП и ЭСЛ.

В интегральных кремниевых схемах большинство транзисторов типа n-р-n, другой тип используется редко, так как имеют худшие электрические периметры.

Для технологии ТТЛ и ТТЛШ (ТТЛ с диодами Шотки) самыми удобными для изготовления являются элементы И – НЕ, а также двухступенчатых ЛЭ – И – ИЛИ – НЕ.

Серии ТТЛ и ТТЛШ – наиболее распространенные и популярные у разработчиков цифровой автоматики.

Комплементарные (взаимно дополняющие) МДП – структуры (КМДП) построены на основе МДП – транзисторов с различным типом проводимости. В этих структурах операции И и ИЛИ различаются комбинированием последовательного и параллельного включения МДП – транзисторов. Серьезных технологических преимуществ у операции И перед операцией ИЛИ нет, поэтому в КМДП сериях одинаково используются элементы И – НЕ и ИЛИ – НЕ. Готовых двухступенчатых функций типа И – ИЛИ в КМДП – сериях в отличие от ТТЛ пользователю обычно не представляется, однако в состав серий, как правило, входят транзисторные сборки, позволяющие самостоятельно набирать любые функции непосредственно из МДП – транзисторов.

Элементы КМДП исключительно экономичны по потребляемой мощности и способны работать в широком диапазоне напряжений питания от 3 до 15 В, имеют хороший порог помехоустойчивости.

Их недостаток – заметно меньше быстродействие по сравнению с ТТЛ.

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) использует принцип переключения тока из одного транзистора в другой в паре транзисторов, работающих на общее эмиттерное сопротивление. Этот принцип обеспечивает работу транзисторов без насыщения, поэтому ЭСЛ – серии является сегодня наиболее быстродействующими.

На элементах ЭСЛ строятся наиболее быстродействующие большие ЭВМ, а в цифровых устройствах автоматики ЭСЛ – серии практически не используют.

Серии

Простые ЛЭ размещаются в корпусах с 14 выводимы, из которых один вывод – это питание и один вывод – общий провод всех логических входов, выходов и питания, кратко называемый общий или земля. Оставшиеся 12 выводов – логические. Более сложные логические узлы размещаются корпусах с 16, 24 и большим числом выводов.

ЛЭ, выполненные на основе интегральной технологии, могут быть собраны на биполярных и униполярных (полевых) транзисторах со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП).

На практике применяют следующие виды интегральных схем: ДТЛ, ТТЛ, РТЛ, МДП (МОП).

ДТЛ (негативная). На входе включена диодная логическая схема. С помощью этих диодов и транзистора реализуется логическая функция И – НЕ (для положительной логики). Для увеличения статической погрешности используются последовательно включенные диоды.

(Функция ИЛИ – НЕ для отрицательной логики)

Элементы ДТЛ имеют сравнительно высокое быстродействие, большой коэффициент объединения по входу, большой нагрузочный коэффициент, высокую помехоустой-чивость. Находят широкое примене-ние. Схема совпадает на диодах. Диоды VD4 и VD5 увеличивают помехоустойчивость.

ТТЛ (позитивная). В отличие от ЛЭ ДТЛ, где схема совпадает выполняется на диодах, в ЛЭ ТТЛ схема совпадения заменена входным многоэмиттерным транзистором.

ЛЭ ТТЛ по сравнению с ДТЛ обеспечивают большее быстродействие при той же потребляемой мощности, однако имеют меньшие помехоустойчивость и коэффициент объединения на входе и разветвление на выходе.

Серия К-155 лог 1 = 2,4 В, лог 0 = 0,4 В, Р = 20-150 мВт, 14 плоских выводов

Последовательное включение переходов база – эмиттер двух транзисторов VT2 и VT4 несколько повышает помехоустойчивость ЛЭ. Схема выполнена на транзисторах типа n-p-n и относится к позитивной логике. Если на все выходы мно-гоэмиттерного транзистора VT1 по-дан единичный сигнал, то потенциал коллектора VT1 достаточно высок, чтобы открыть VT2 и VT3. Можно считать, что на выходе VT1 возникает промежуточный логичес-кий сигнал у 1.

РТЛ. Для схем ЛЭ РТЛ характерно неравенство входных токов, возникающее из-за разброса напряжений базе – эмиттер входных транзисторов. Увеличивая сопротивления входных базовых резисторов, мож- но уменьшать неравномерность распределения токов, но при этом повысятся напряжения питания, потребляемая мощность, перепады выходных напряжений.

Параметры ЛЭ РТЛ сравнительно невысоки и большинство их уступает параметрам ЛЭ ЛТД и ЛЭ ТТЛ.

В последние годы кроме ИС на биполярных транзисторах начали

широко применяться ИС на МОП – транзисторах, которые отличаются малой рассеиваемой мощностью и работоспособностью в широком диапазоне напряжений питания. Эти схемы конструктивно просты и технологичны, имеют меньшие размеры. ЛЭ на МОП – транзисторах, реализует функцию ИЛИ – НЕ. Если на какой-либо вход подано напряжение логической 1 (положительная логика), сигнал на выходе будет иметь значение логического 0, так как транзистор, связанный с входом, на который подан сигнал, будет закрыт. Если же на всех трех входах будет 0, то транзисторы VT2, VT3, VT4 оказываются открытыми и на выход подается напряжение + Е n (логическое 1). Достоинство – все компоненты электрических цепей логических схем могут быть заменены МОП – транзисторами. Отличает более высокое быстродействие.

Относительно невысокое быстродействие и повышенные надежность и помехоустойчивость имеют высокопороговые логические элементы (ВПЛ) выполняемые на интегральной основе.

Функция И (для положительной логики)

Логические входы, реализующие функцию U выполнены на транзисторах VT1 и VT2 и осуществляют дополнительное усиление потоку. Транзистор VT3 и R1, R2 образуют буферный усилитель, подобный усилителю в схемах ДТП. Диод VD2 – обеспечивает пороговое напряжение – 6 В, повышает помехоустойчивость.

Транзисторы VT4 и VT5 и диод VD3 образуют схему инверсного выходного каскада с активным включением.

Достоинства: высокая помехоустойчивость, нагрузочная способность широкий диапазон температур воздуха.

Поиск по сайту: