Логічні елементи зсередини

Цифрові мікросхеми призначені для обробки, перетворення та зберігання цифрової інформації. Випускаються вони серіями. Усередині кожної серії є об'єднані за функціональним признаком групи пристроїв: логічні елементи, тригери, лічильники, елементи арифметичних пристроїв (які виконують різні математичні операції) тощо. Чим ширший функціональний склад серії, тим більшими можливостями може володіти цифровий пристрій, виконаний на базі мікросхем цієї серії. Мікросхеми, що входять до складу кожної серії, мають єдине конструктивно-технологічне виконання, єдине напруга живлення, однакові рівні сигналів логічного 0 і логічної 1. Все це робить мікросхеми однієї серії сумісними.

Основою кожної серії цифрових мікросхем є базовий логічний елемент. Як правило, базові логічні елементи виконують операції І-НЕ або АБО-НЕ і за принципом побудови діляться на такі основні типи: елементи діодно-транзисторної логіки (ДТЛ), резистивно-транзисторної логіки (РТЛ), транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ), емиттерно-зв'язаної транзисторної логіки (ЕСТЛ), мікросхеми на так званих комплементарних МДП структурах (КМДП). Елементи КМДП цифрових мікросхем використовують пари МДП-транзисторів (зі структурою метал - діелектрик-півпровідник) - з каналами p- і n-типів. Базові елементи інших типів виконані на біполярних транзисторах.

В радіолюбительській практиці найбільше поширення отримали мікросхеми ТТЛ серії та КМДП. На (рис. 1) показана схема базового логічного елемента І-НЕ ТТЛ. На вході елемента включений багатоеміттерний транзистор VT1. Якщо на всі його емітери подати напруги високого рівня, то емітерний перехід транзистора виявиться закритим. При цьому ток, що протікає через резистор R1 та колекторний перехід транзистора VT1, відкриває транзистор VT2. Падіння напруги на резисторі RЗ буде достатнім для відкриття транзистора VT5. Напруга на колекторі транзистора VT2 таке, що транзистор VTЗ закритий, відповідно закритий і транзистор VT4. В результаті на виході елемента з'явиться напруга низького рівня, що відповідає логічному 0. Якщо ж хоч на один з входів елемента подати напругу низького рівня, то емітерний перехід транзистора VT1 відкриється, а транзистори VT2 і VT5 будуть закриті. Транзистор VT3 відкриється за рахунок току, що протікає через резистор R2, увійде в режим насичення. Відповідно відкриється транзистор VT4, і на виході елемента з'явиться напруга високого рівня, що відповідає логічній 1. Отже, розглянутий елемент виконує функцію І-НЕ. У складі мікросхем серій ТТЛ входить також логічний елемент І-НЕ без колекторного навантаження в вихідному каскаді. Це так званий елемент І-НЕ з відкритим колектором. Він призначений для роботи на зовнішнє навантаження, в якості якого можуть бути використані електромагнітні реле, індикаторні прилади і т. д., ще схеми з відкритим колектором застосовуються в шинах передачі даних у випадках, коли два або більше виходів підключені до однієї фізичної лінії (рисунок 1).

Рисунок 1

Нагадаємо, що структура КМДП є ідеальним перемикачем напруги. Такий перемикач містить два МДП транзистори з каналами p- і n-типів. При подачі на вхід перемикача напруги високого рівня відкривається n-канальний транзистор і закривається p-канальний. На рисунку 2 зображені схеми базових елементів І-НЕ (а) та АБО-НЕ (б) мікросхем КМДП. Напруга низького рівня (логічний 0) буде на виході елемента І-НЕ лише при одночасній подачі напруг високого рівня (логічних 1) на всі входи X1-X3. Якщо напруга хоча б на одному з входів (наприклад, X1) буде низького рівня, то закриється n-канальний транзистор VT6, і відкриється p-канальний транзистор VT1, через канал якого вихід елемента підключається до джерела живлення. Таким чином, на виході буде напруга високого рівня, що відповідає логічній 1. Для реалізації базового логічного елемента АБО-НЕ на КМДП структурах ділянки схеми, що містять послідовно та паралельно включені транзистори, слід поміняти місцями (рисунок 2,б).

Рисунок 2

Мікросхеми ТТЛ розраховані на напругу джерела живлення 5 В±10%. більшість мікросхем на КМДП структурах стабільно працюють при напрузі живлення 3-15 В, деякі - при напрузі 9 В±10%. Рівні логічних 0 і 1 повинні відрізнятися якомога більше. Розрізняють порогове логічної 1 U1пор - найменше напруга високого рівня на вході мікросхеми, при якому напруга на виході змінюється від рівня логічного 0 до рівня логічної 1, а також порогове напруга логічного 0 U0пор - найбільше напруга низького рівня на вході мікросхеми, при якому напруга на виході змінюється від рівня логічної 1 до рівня логічного 0.

Перед тим як перейти до детального розгляду найбільш поширених серій мікросхем і цифрових пристроїв на їх базі, зупинимося на основних параметрах логічних елементів. До них відносяться напруга джерела живлення, рівні напруг логічного 0 і логічної 1, навантажувальна здатність, перешкодостійкість і швидкодія, споживана потужність.

Для мікросхем ТТЛ серій U1пор =2,4 В; U0пор =0,4 В. Напруга низького і високого рівнів на виході мікросхем ТТЛ U1вих>=2,4В, U1вих<=0,4В.

Для мікросхем на КМДП структурах U1пор>0,7* Uпит, U0пор>0,3* Uпит. в той же час відхилення вихідних напруг U0вих і U1вих від нульового значення і напруги джерела живлення відповідно досягають всього кількох десятків мілівольт. Здатність елемента працювати на певну кількість входів інших елементів без додаткових пристроїв узгодження характеризується навантажувальною здатністю. Чим вища навантажувальна здатність, тим менше число елементів може знадобитися при реалізації цифрового пристрою. Однак при підвищенні навантажувальної здатності інші параметри мікросхем погіршуються: знижуються швидкодія і перешкодостійкість, зростає споживана потужність. У зв'язку з цим у складі різних серій мікросхем є так звані буферні елементи з навантажувальною здатністю в кілька разів більшою, ніж у основних елементів. Кількісно навантажувальна здатність оцінюється числом одиничних навантажень, які можна одночасно підключити до виходу мікросхеми. У свою чергу одиничною навантаженням є вхід основного логічного елемента даної серії.

Коефіцієнт розгалуження за виходом для більшості логічних елементів серій ТТЛ серії К155 складає 10, для мікросхем серій К561 КМДП - до 100. Перешкодостійкість базових логічних елементів оцінюють у статичному і динамічному режимах. При цьому статична перешкодостійкість визначається рівнем напруги, що подається на вхід елемента відносно рівнів логічних 0 і 1, при якому стан на виході схеми не змінюється. Для елементів ТТЛ статична перешкодостійкість складає не менше 0,4 В, а для мікросхем серій КМДП не менше 30% напруги живлення. Динамічна перешкодостійкість залежить від форми і амплітуди сигналу перешкоди, а також від швидкості перемикання логічного елемента і його статичної перешкодостійкості. Динамічні параметри базових елементів оцінюють, в першу чергу, швидкодією. Кількісно швидкодію можна характеризувати граничною робочою частотою, тобто максимальною частотою перемикання тригера, виконаного на цих базових елементах. Гранична робоча частота мікросхем ТТЛ серії К155 складає 10 МГц, а мікросхем серій К176 і К561 на КМДП структурах лише 1 МГц. Швидкодія визначається також, як середній час затримки розповсюдження сигналу.

Рисунок 3

Середній час затримки розповсюдження сигналу є більш універсальним параметром мікросхем, оскільки, знаючи його, можна розрахувати швидкодію будь-якої складної логічної схеми, сумуючи tзд.р.ср для всіх послідовно включених мікросхем. Для мікросхем серії К155 tзд.р.ср складає близько 20 нс, а для мікросхем серії К176 - 200 нс. Споживана мікросхемою потужність у статичному режимі виявляється різною при рівнях логічного нуля (Р0) і логічної одиниці на виході (Р1). У зв'язку з цим вимірюють середню потужність споживання Рср=(Р0+Р1)/2. Статична середня потужність споживання базових елементів серії К 155 складає кілька десятків міліватт, а у елементів серій К176 і К561 вона більш ніж у тисячу разів менша. Отже, при необхідності побудови цифрових пристроїв з малим током споживання доцільно використовувати мікросхеми на КМДП структурах. Однак слід врахувати, що при роботі в динамічному режимі потужність, що споживається логічними елементами, зростає. Тому, окрім Рср, задається також потужність Рдин, вимірювана на максимальній частоті перемикань. Необхідно мати на увазі, що з підвищенням швидкодії потужність, споживана мікросхемою, зростає