Семейства цифровых ИМС

В зависимости от типа применяемых элементов и особенностей схемотехники различают следующие семейства ЦИМС: ТЛНС – транзисторная логика с непосредственной (гальвани­ческой) связью; РТЛ – резисторно-транзисторная логика; PЕТЛ – резисторно-емкостная логика; ДТЛ – диодно-транзисторная логика; ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика; И²Л – интегральная инжекционная ло­гика; ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика; МДП – логические схемы на основе МДП транзисторов; КМДП – логические схемы на основе комплементарных МДП транзисторов. Чтобы правильно выбрать тип ЦИМС, необходимо представлять внутреннюю структуру базовых логических элементов, знать функциональные возможности и основные параметры логических элементов разных семейств.

Исторически первым было семейство ЦИМС типа ТЛНС. Базовый элемент имеет техническое решение в соответствии с рисунком 3.6.

ТЛНС	РТЛ

Рисунок 3.6 – Базовые логические элементы

Следует учитывать, что нагрузками логических элементов являются входные цепи аналогичных элементов. Серьезный недостаток ТЛНС – неравномерное распределение тока между базами нагрузочных транзисторов. Такая неравномерность связана с различием входных характеристик транзисторов, обусловленным не технологическим разбросом (который в ИС мал), а неизбежным различием коллекторных токов насыщенных транзисторов. Токи насыщения существенно зависят от числа транзисторов базового элемента, находящихся в открытом состоянии. При подключении нескольких нагрузок к базовому элементу снижается логический перепад выходных уровней и, следовательно, допустимое значение статических помех.

В семействе РТЛ используются технические решения, аналогичные ТЛНС, но для выравнивания входных характеристик транзисторов в цепях баз включены резисторы с сопротивлениями несколько сот Ом. При этом возросли уровень логической 1, логический перепад уровней и допустимое напряжение статической помехи, но снизилось быстродействие. Сопротивления в цепи базы и входные емкости образуют интегрирующие цепи, из-за которых возрастает длительность фронта выходного импульса.

Для того чтобы избежать указанного недостатка в семействе РЕТЛ, явившемся развитием РТЛ, резисторы в цепях базы шунтированы конденсаторами небольшой емкости. В момент переключения предыдущего элемента эти конденсаторы шунтируют резисторы, тем самым, снижая длительность фронта.

В ИС резисторы и особенно конденсаторы занимают большую площадь. Поэтому элементы семейства РТЛ и РЕТЛ оказались неперспективными и в настоящее время практически не используются. Семейство ТЛНС явилось прототипом весьма перспективного варианта логических элементов семейства И²Л, рассматриваемого ниже.

В зависимости от типа применяемых элементов и особенностей схемотехники в настоящее время используются следующие семейства ЦИМС:

диодно-транзисторная логика, транзистор-транзисторная логика, транзистор-транзисторная логика с диодами Шоттки, эимттерно-связанная логика, логика на комплементарных МДП-транзисторах, интегральная-инжекционная логика.

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ):

Схема базового элемента диодно-транзисторной логики имеет вид в соответствии с рисунком 3.7.

Рисунок 3.7 – Схема базового элемента ДТЛ

Предположим, что напряжение питания U_П =5 В. Тогда, если VТ1 закрыт (ток через него отсутствует), напряжение на выходе будет равно 5 В, что соответствует логической «1» (U¹ = 5 B). Если VТ1 находится в режиме насыщения, то на его выходе будет напряжение примерно равное 0,1 В, это соответствует логическому «0» (U⁰ = 0,1 B). Принцип работы элементов поясняется с помощью таблицы 3.7. Если на оба входа подано напряжение U⁰ = 0,1 В (рисунок 3.8), тогда напряжение в точке А будет равно U_А = 0,8 В. Оно состоит из входного напряжения U⁰ и падения напряжения на диоде, которое равно около 0,7 В.

Входная характеристика диода, выполненного на основе кремния, имеет вид в соответствии с рисунком 3.8, очевидно, что при различных токах I₁, I₂, I₃ падение напряжения на диоде составляет примерно 0,7 В.

Таблица 3.7 – К принципу работы базового элемента ДТЛ

Предполагая, что все три p-n-перехода (диодов VD3, VD4 и эмиттерный переход (ЭП) транзистора) одинаковы, в соответствии с рисунком 3.9 получаем, что напряжение на базе транзистора (точка Б) составляет U_Б =U_А/3» 0,27 В. Входная характеристика транзистора соответствует характеристики p-n-перехода (рисунок 3.8), и, следовательно, ток базы отсутствует, ток коллектора равен нулю, транзистор закрыт. Напряжение на выходе будет около 5 В. Это напряжение соответствует логической «1» (первая строка таблицы). Падением напряжения на резисторе R3 за счет тока I_КЭ0 можно пренебречь.

При подаче на вход 1 логической «1» диод VD1 будет включен в обратном направлении, ток от источника питания будет проходить через диод VD2 и напряжение в точке А будет по-прежнему равно 0,8 В. Как и в предыдущем случае транзистор будет закрыт и напряжение на выходе будет соответствовать логической «1» (вторая и аналогично третья строки таблицы).

При подаче на оба входа логической «1» диоды VD1 и VD2 будут включены в обратном направлении, через них будет протекать обратный ток. Основной ток в этом случае протекает через VD3, VD4 и эмиттерный переход транзистора. На каждом из p-n-переходов падает напряжение 0,7 В (U_А=2,1 В). Резистор R1 выбирается таким образом, чтобы транзистор находился в режиме насыщения и тогда напряжение на его коллекторе будет примерно 0,1 В, что соответствует логическому «0» (четвертая строка таблицы).

Сравнивая два первых и последний столбцы таблицы видим, что данная схема выполняет логическую операцию И-НЕ.

Необходимым элементом схемы является резистор R2, который в закрытом состоянии транзистора задает ток через диоды VD3 и VD4, увеличивая на них падение напряжения и тем самым, снижая напряжение на базе транзистора. Это приводит к надежному запиранию транзистора. При подключению к нему отдельного источника смещения увеличивается быстродействие и порог запирания схемы.

Схема для снятия входной характеристики I_ВХ= F(U_ВХ) и характеристики прямой передачи U_ВЫХ = F(U_ВХ) выполняется в соответствии с рисунком 3.10.

Рисунок 3.10 – Схема для снятия входной и передаточной характеристик базового элемента ДТЛ

Входная характеристика и характеристика прямой передачи имеют вид в соответствии с рисунком 3.11.

Входная Прямой передачи

Рисунок 3.11 – Характеристики базового элемента ДТЛ

При нулевом напряжении на входе через диод VD1 протекает ток I_ВХ=(U_П- U_А)/R1 (поскольку он вытекает, то он отрицательный). Транзистор закрыт, ток коллектора отсутствует и на выходе напряжение равно напряжению источника питания. При увеличении входного напряжения диод VD1 закрывается и входной ток уменьшается. При напряжении равном примерно 1,8 В ток начинает протекать по цепи VD 3, VD 4 и эмиттерный переход транзистора (ток через эти переходы начинает протекать, когда напряжение на каждом их них достигнет 0,6 В, (см. ВАХ диода из кремния). Через диод VD1 в этом случае начинает протекать обратный ток. Ток базы транзистора равен I_Б=(U_П-U_А)/R1. Транзистор в этом случае переходит в режим насыщения и напряжение на выходе снижается до уровня 0,1 В.

Схема для снятия выходной характеристики выполняется в соответствии с рисунком 3.12.

Рисунок 3.12 – Схема для снятия выходной характеристики и

выходная характеристика базового элемента ДТЛ

Выходные характеристики имеют вид в соответствии с рисунком 3.11, снимаются в двух вариантах: на вход ИМС подается напряжение логического «0» (можно подать 0В) и напряжение, соответствующее логической «1» (5В). В первом варианте транзистор закрыт и при напряжении, которое подается на выход ИМС с потенциометра, равное 0В, ток будет равен Е_ПИТ/R3, ток вытекает, поэтому он отрицательный. При подаче напряжения равного 5В выходной ток будет равен 0.

Во втором варианте, хотя транзистор открыт, он шунтируется милли -амперметром, и ток также будет равен U_П/R3. При увеличении напряжения, когда оно сравняется с напряжениеv насыщения транзистора (0,1 В) ток будет равен 0. При дальнейшем увеличении выходная характеристика ИМС будет повторять выходную характеристику транзистора. (Она показана пунктиром, так как мощность рассеиваемая на коллекторе превышает допустимую).

Транзистор – транзисторная логика (ТТЛ):

Структура диодов VD1-VD3 схемы ДТЛ имеет вид в соответствии с рисунком 3.13. В интегральном исполнении области р можно объединить, и тогда получится структура изображенная там же. Эта структура представляет собой транзистор с двумя эмиттерами (двухэмиттерный транзистор).

Диоды Многоэмиттерный транзистор

Рисунок 3.13 – Структуры диодов и многоэмиттерного транзистора

Если в предыдущей схеме ДТЛ диоды VD1, VD2 и VD3 заменить на двухэмиттерный транзистор, то получится транзистор – транзисторная логика (ТТЛ) в соответствии с рисунком 3.14).

Рисунок 3.14 – Принципиальная схема элемента ТТЛ

В качестве VT1 можно использовать транзистор с большим числом эмиттеров, схема в этом случае будет иметь соответствующее число входов.

Принцип работы, таблица истинности и характеристики ТТЛ такие же, как у ДТЛ.

Недостаток предыдущих схем заключается в следующем. Представим транзистор VT2 в виде ключа с сопротивлением R_Т в соответствии с рисунком 3.15).

Рисунок 3.15 – К пояснению быстродействия элемента ТТЛ

В исходном состоянии (на входе схемы логический «0»), транзистор закрыт (ключ разомкнут), на выходе напряжение равно напряжению питания U_П. При подаче на вход логической «1» ключ замыкается. В этом случае ёмкость нагрузки С_Н разряжается через малое сопротивление ключа R_T и время включения будет составлять t¹⁰. При подаче на вход логического «0» ключ вновь размыкается и, в этом случае, ёмкость С_Н будет заряжаться через сопротивление R3, которое намного больше, чем R_T и время выключения будет t⁰¹> t¹⁰, из-за этого быстродействие схемы будет низким.

Кроме того между точкой А и общим проводом находятся два pn-перехода, следовательно на эмиттерном переходе при подаче на вход логического «0» напряжение будет составлять 0,4 В и для того, чтобы открыть транзистор надо приложить меньшее напряжение, т.е. помехоустойчивость схемы снижается.

Задача состоит в том, чтобы снизить t⁰¹ (t⁰¹» t¹⁰) и повысить помехоустойчивость.