Элементная база

Основой микроэлектроники является интегральная микросхема, с использованием которой выполняются блоки и узлы устройств. В корпусе интегральной микросхемы все элементы соединены определенным образом. При поступлении на вход схемы сигнала на выходе выдаются сигналы, соответствующие выполняемой ею логической функции. Главной характеристикой микросхемы яв­ляется степень интеграции, т. е. число элементов (вентилей) в корпусе. По степени интеграции микросхемы делятся на четыре класса: ИС — интегральные схемы, содержащие до 40 вентилей; СИС — средние интегральные схемы, содержащие сотни вентилей; БИС — большие интегральные схемы, содержащие тысячи венти­лей; СБИС — сверхбольшие интегральные схемы, содержащие десятки тысяч вентилей.

ИС выполняют элементарные логические функции, а также служат для приема и передачи сигналов между узлами устрой­ства или выхода на шину. На базе СИС формируют различного рода регистры, счетчики, дешифраторы, элементы памяти неболь­шого объема и др. На основе БИС и СБИС формируют, как пра­вило, микропроцессоры и узлы памяти большого объема.

Транзисторные ИС можно разделить на две группы: биполяр­ные и типа металл — окисел (диэлектрик) — полупроводник (МОП).

ИС группы МОП по структуре бывают двух типов: р -МОП — с положительным (р) носителем и n -МОП с отрицательным (п) носителем. Помимо этого бывают комплектарные (взаимодопол­няющие) КМОП-структуры.

Особенностью МОП-структур является малое потребление мощ­ности, что позволяет увеличить степень интеграции.

ИС на основе биполярных транзисторов в зависимости от тех­нологии изготовления бывают следующих модификаций: ТТЛ — (транзисторно-транзисторная логика); И²Л (интегральная инжекционная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), ИС с би­полярными транзисторами имеют высокое быстродействие, однако степень интеграции этих схем ограничена потребляемой мощ­ностью.

ИС, изготовленные по разным технологиям, имеют различные уровни входных и выходных сигналов. За стандартные приняты уровни ТТЛ-схем, рассчитанные на питание 5В; при использова­нии других ИС предусматриваются переходные схемы преобразо­вания уровней.

В МОП-структурах функции пассивных элементов (резисторов) выполняют МОП-транзисторы, на затворы которых подается постоянный потенциал. На рис. 2.2, а представлена схема ИС типа И — НЕ, выполняемая на p -МОП транзисторах. Транзистор T1 является нагрузкой, на его затвор подается постоянный потен­циал Ср. Затворы транзисторов Т2 и ТЗ являются логическими входами схемы, при подаче на оба эти входа потенциалов логи­ческих единиц они открываются и на выходе устанавливается по­тенциал логического нуля. Схемы требуют отрицательного напря­жения источника Е питания, что затрудняет их сопряжение с ТТЛ-схемами.

Рис.2.2 Схема ИС типа И – НЕ, выполненная на р -МОП (а) и КМОП (б) транзисторах

Микросхемы со структурой типа р -МОП имеют тот же (что и микросхемы со структурой п -МОП) принцип выполнения логиче­ских операций, но с положительным напряжением источника пи­тания; технология их изготовления несколько сложнее, однако быстродействие много выше.

Технология КМОП-ехем сложнее предыдущих вследствие ис­пользования транзисторов как р -МОП, так и п -МОП типа. Основ­ным достоинством КМОП-схем является малая потребляемая мощность в статическом режиме, что объясняется отсутствием в этих схемах пассивных элементов, поглощающих мощность. На рис. 2.2, б представлена схема ИС типа И — НЕ на КМОП-транзисторах типа р (Т1, Т2) и типа п (ТЗ, Т4). Напряжение сигнала логической единицы, подаваемое на входы, открывает транзисторы ТЗ, Т4 и закрывает транзисторы Т1, Т2. В зависимости от комби­нации входных сигналов на выходе устанавливается либо низкий уровень (на обоих входах единицы), либо высокий (все осталь­ные комбинации). При любой комбинации входных сигналов ток течет не через всю схему. ИС со структурой типа КМОП с поло­жительной логикой имеют уровни логических сигналов, совмести­мые с уровнями ТТЛ-схем.

Недостатком структуры типа КМОП является сравнительно низкое быстродействие ИС, обусловленное наличием в схемах паразитных емкостей. Достоинствами КМОП-схем являются воз­можность широкого диапазона изменения напряжения источника питания (3—12 В), высокая помехоустойчивость (по сравнению с п -МОП схемами), а также возможность использования батарей­ного питания.

Основным достоинством ИС на биполярных транзисторах является их высокое быстродействие. Серия К511 имеет высокую помехозащищенность и применяется в устройствах автоматики станков. Она состоит из небольшого набора логических ПС, триг­геров, десятичного счетчика и десятичного дешифратора. На рис. 2.3, а представлена диодно-транзисторная схема, выполняющая логическую функцию И—НЕ. Диоды Д1 и Д2 совместно с резистором R1 выполняют логическую функцию И, транзистор Т1 и резистор R3 — функцию НЕ; диод ДЗ служит для связи между этими двумя схемами, а через резистор R2 подается напряжение смещения Б1; Е2 — напряжение в цепи.

Рис. 2.3 Схема ИС на основе биполярных транзисторов модификации ЭСЛ:

а - диодно-транзисторная схема, выполняющая логическую функцию И—НЕ;

б - транзисторная схема, выполняющая функцию ИЛИ.

На рис. 2.3, б представлена транзисторная схема, выполняю­щая логическую функцию ИЛИ. На базы транзисторов Т1, Т2, через резисторы R3, R4 подается низкий потенциал. При подаче высокого уровня на любой из входов транзисторы T1 или Т2 от­крываются; уровень напряжения на резисторе R5 возрастает, и транзистор ТЗ, связанный по эмиттеру с транзисторами Т1 и Т2, закрывается. Резистор R1 ограничивает токи через транзисторы Т1 и Т2. На выходе схемы через резистор R2 устанавливается вы­сокий уровень, На базу транзистора ТЗ подается напряжение Е_см смещения. Из-за сравнительно сложной технологии эти схемы дороги, требуют повышенной мощности питания и имеют низкую помехозащищенность вследствие того, что для повышения быстро­действия транзисторы схем работают в ненасыщенных режимах. Транзисторные схемы применяют в основном в больших ЭВМ, где требуется предельно высокое быстродействие.

В различных цифровых устройствах (втом числе и в системах ЧПУ) наиболее широко применяются схемы транзисторно-транзи­сторной логики (ТТЛ) серии К155. Эта серия состоит примерно из 80 наименований ИС различного функционального назначен Среди них ИС, выполняющие логические функции И, НЕ, И —НЕ, ИЛИ—НЕ, И—ИЛИ—НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. СИС выпол­няют функции регистров, счетчиков, дешифраторов, сумматоров, коммутаторов, запоминающих устройств. В составе серии имеются БИС ОЗУ и ПЗУ. Основным элементом ТТЛ-схем является многоэмиттерный транзистор, реализующий логическую операцию И. Чи­сло логических входов схемы определяется числом эмиттеров в транзисторе. На рис. 2.4, а приведена схема ИС ТТЛ-структуры, вы­полняющая логическую функцию И — НЕ. На входе схемы стоит транзистор Т1, коллектор которого соединен с базой транзистора Т2. Резистор R1 ограничивает ток через Т1; резистор R2 яв­ляется нагрузкой Т2.

Рис. 2.4Схема ИС:

а - ТТЛ-структура, вы­полняющая логическую функцию И — НЕ;

б - И²Л-схема, выполняющая функцию ИЛИ.

Основным недостатком ТТЛ-схем является повышенная потреб­ляемая мощность, усложняющая источники питания и требующая специальных мер по охлаждению устройств. Уменьшение потреб­ляемой мощности приводит к снижению быстродействия (повыше­нию времени задержки). Для повышения быстродействия ТТЛ-схем в транзисторы вводят нелинейную обратную связь с помощью диодов Шоттки (структура ТТЛШ), препятствующую насыщению транзисторов. По ТТЛШ-схеме строятся маломощные ИС, имеющие высокое быстродействие (серия К555). ИС серии К555 потребляет в четыре раза меньшую мощность, чем аналогич­ные по выполняемым функциям и быстродействию ИС серии К155.

Так же как КМОП-схемы, И²Л-схемы не имеют пассивных элементов. Они работают при низких напряжениях питания (при­мерно 1 В) и потребляют малую мощность при сравнительно вы­соком быстродействии, имея лучший среди рассматриваемых схем фактор качества.

Принцип инжекционного питания заключается в том, что с помощью транзистора-инжектора Т_и (рис. 2.4, б) реализуется цепь генератора тока базы многоколлекторного транзистора Т, выполняющего функцию инвертора входного логического сигнала — функции НЕ. Функцию НЕ — ИЛИ можно получить, объединив коллекторные цепи двух схем НЕ.

Рассмотрим подробнее ИС серии К155 (ТТЛ-структура), при­меняемые во многих УЧПУ второго поколения (Н22, НЗЗ и др.) и представляющие собой ИС низкой степени интеграции, разме­щенные в 14-штырьковом прямоугольном пластмассовом корпусе. Модификации отличаются числом элементов в корпусе, числом входов и выполняемыми функциями. Все элементы серии можно разделить на три группы: группа 1ЛБ55 (базовая), выполняющая логические функции И — НЕ (семь модификаций); группа 1ЛР55 (расширяемая), выполняющая логические функции И —ИЛИ —НЕ с возможностью расширения по функции ИЛИ (две модифика­ции); группа 1ЛП55, подключаемая к элементам группы 1ЛР55 для расширения по функции ИЛИ (две модификации).

Базовая группа (1ЛБ55) включает в себя три элемента: основ­ной элемент И —НЕ; элемент И — НЕ с большим коэффициентом разветвления (для возможности подключения к выходу элемента большого числа входов других элементов); элемент И — НЕ с открытым коллекторным выходом.

Основные элементы И — НЕ имеют четыре модификации: 1ЛБ551 (содержит в одном корпусе два четырехвходовых элемен­та И — НЕ); 1ЛБ552 (содержит один восьмивходовый элемент); 1ЛБ553 (содержит четыре двухвходовых элемента); 1ЛБ554 (со­держит три трехвходовых элемента). Все элементы серии K155 имеют положительное напряжение (+5 В) коллекторного пита­ния. При этом базовые токи протекают в направлении от базы к эмиттеру, что на принципиальных схемах отражено соответствую­щим направлением эмиттерной стрелки. Транзисторы элементов надежно запираются нулевым потенциалом и не требуют спе­циального источника напряжения смещения в базовых цепях. В качестве сигнала логической единицы в элементах принят вы­сокий уровень напряжения (+2,4 В и выше). В качестве сигнала логического нуля принят низкий уровень напряжения (+0,45 В и ниже).

Элементы типа И —НЕ (рис. 2.5, а) состоят из четырех тран­зисторов (Т1—Т4), диода (Д1) и резисторов (R1—R4), Основой элемента (как и всех элементов серии) служит многоэмиттерный транзистор Т1, выполняющий функции И. Если хотя бы на один вход многоэмиттерного транзистора подан низкий уровень напря­жения, от базы к эмиттеру через резистор R1 протекает ток и транзистор открыт. Открытый транзистор Т1 подаст на базу тран­зистора Т2 низкий уровень напряжения и запирает его, в резуль­тате чего на транзистор Т3 через резистор R3 — тоже подается низкий уровень напряжения и он запирается. Транзистор Т4 от­крыт высоким напряжением, поданным на его базу через резистор R2, благодаря чему и на выходе элемента устанавливается вы­сокий уровень напряжения, поступающего через резистор R4, от­крытый транзистор Т1 и диод Д1.

Если на все входы элемента подается высокий уровень напряжения, на базу транзистора Т2 тоже подается высокий уровень напряжения и он отпирается, отпирая при этом транзистор ТЗ и запирая транзистор Т4. Через открытый транзистор ТЗ на выходе элемента устанавливается низкий уровень напряжения. Осталь­ные модификации элементов типа И —НЕ отличаются только ко­личеством эмиттеров многоэмиттерного транзистора Т1, т. е. чис­лом входов.

Рис.2.5 Схема И—НЕ основного элемента ИС типа ТТЛ с закрытым (а) и открытым (б)

входом.

Схема элемента И — НЕ с большим коэффициентом разветвле­ния работает аналогично описанной выше и отличается только тем, что в целях получения на выходе схемы сигнала большей мощности между коллектором транзистора Т2 ибазой транзистора Т4 включен транзистор, усиливающий ток, протекающий от ре­зистора R2 на базу транзистора Т4. Элемент имеет обозначение 1ЛБ556.

Схема элемента И — НЕ с открытым выходом (рис. 2.5, б) работает аналогично предыдущей схеме (см. рис. 2.5, а), но не содержит транзистора, подающего на выход высокий уровень на­пряжения. Этот элемент применяют в основном для подключения внешних нагрузок тина реле или индикаторных ламп. Сущест­вует две модификации элементов: 1ЛБ5.57 (содержит две четырехвходовые схемы И —НЕ) и 1ЛБ558 (содержит четыре двухвходовые схемы И— НЕ).

Схема И —ИЛИ —НЕ (рис. 2.6, а) имеет несколько многоэмиттерных транзисторов (Т1—Т6). Схема (в части Т1, Т2, Т3 Т4 Д1, Rl, R2, R3, R4) работает аналогично схеме И —НЕ, однако в нее добавлены еще один многоэмиттерный транзистор Т6 и сое­диненный с его коллектором транзистор Т5 (включенный парал­лельно транзистору Т2), что позволяет осуществить функцию ИЛИ. Оба транзистора имеют одну и ту же нагрузку и отпирание лю­бого из них запирает выходной транзистор Т4 и отпирает транзистор ТЗ, в результате чего на выходе схемы устанавливается низкий уровень напряжения.

Схема имеет две модификации: 1ЛР551 (состоит из двух ло­гических элементов, каждый из которых содержит две двухвходовые схемы И, объединенные схемой ИЛИ); ЛР553 (имеет четыре схемы И с общим числом входов равным девяти).

Рис.2.6 Схема И—ИЛИ—НЕ (а) и подключение к этой схеме расширителя (б).

К входам К и Э подключа­ют расширитель по ИЛИ (рис. 2.6, б), представляющий собой многоэмиттерный транзистор T1 и соединенный с ним тран­зистор Т2. Расширитель име­ет две модификации: 1ЛП551 (содержит два четырехвходовых элемента); 1ЛП533 (со­держит восьмивходовый элемент).

Условные графические изо­бражения интегральных мик­росхем показаны на рис. 2.7. Входы микросхемы располага­ются слева, выходы — справа. Функции И, ИЛИ изобража­ются прямоугольником с соот­ветствующим обозначением функции (обозначение &-И, 1-ИЛИ). Функция НЕ обозна­чается кружочком. Обозначе­ния двух-, трех-, четырех- и восьмивходовых схем И —НЕ (микросхемы 1Л551 — 1Л558) приведены на рис. 2.7, а —г, а обозначения схем И — ИЛИ —НЕ (микросхемы 1Л551—1ЛР554) —на рис. 2.7, д — ж.

Кроме схем И —НЕ, И —ИЛИ —НЕ в серии К155 предусмотрено два типа триггеров. Микросхема 1ТК551 представляет IК -триггер (рис. 2.7, з), имеющий вход S установки единицы и вход R установки нуля. При подаче на входы S и R нуля триггер устанавливается в соответствующее состояние. Триггер имеет два выхода — прямой (Q) и инверсный (). Если триггер находится в состоянии единицы, то на выходе Q — единица, а на выходе — нуль; если в состоянии нуль, то на выходе Q — нуль, а на выходе —единица.

Отличительной особенностью IК -триггера является наличие входов I и К, а также тактового входа T. При использовании тактового входа Т на входы S и R подаются единицы. Если на все входы I и К подаются единицы, единичный импульс по входу Т переводит триггер в противоположное состояние (аналогично действию импульса на счетном входе потенциально-импульсного триггера), т. е. из состояния «единица» в состояние «нуль», а из состояния «нуль» в состояние «единица». Если хотя бы на один из входов К, подан нуль, а на входах I единицы, импульс по так­товому входу может пере­вести триггер только в со­стояние «нуль». Если хотя бы на один из входов I по­дан нуль, а на входах К единицы, триггер может быть переведен только в состояние «единица». Если нули подаются одновремен­но на любые из входов I и К, состояние триггера под действием тактовых импуль­сов не меняется. Временная диаграмма работы IK -триггера под действием импуль­сов, подаваемых на вход Т, приведена па рис. 2.8. В од­ном корпусе размещается один К -триггер. С помощью IK -триггеров строятся схемы счетчиков и регистров сдвига, причем принцип их построения аналогичен принципу построения этих схем на потенциально-импульсных триггерах со счетным входом.

Рис. 2.7. Условные графические изображения интегральных микросхем:

а —г схемы — И —НЕ, д — ж схемы— И — ИЛИ —НЕ, з — к — триггеры

Микросхема 1ТК552 представляет собой D -триггер (рис. 2.7, и), имеющий вход S установки единицы, вход R установки нуля, а также вход D и тактовый вход Т. При подаче на вход Т положительного импульса триггер переводится в состояние, аналогичное значению сигнала на входе D. Если в момент прихода импульса на вход Т и на вход D подана единица, то триггер устанавли­вается в состояние «единица», если нуль — в состояние «нуль». Временная диаграмма работы D-триггера приведена на рис. 2.9 (в одном корпусе располагаются две схемы D-триггеров).

Микросхема 155ТМ5 имеет повышенную степень интеграции и содержит четыре D-триггера, каждый из которых имеет вход D и выход Q; вход D подается сразу на два триггера (рис. 2.7, к).

В последних разработках систем ЧПУ находят применение микросхемы средней степени интеграции, содержащие в одном корпусе десятки схем И, ИЛИ, НЕ. С помощью этих схем в од­ном корпусе содержатся целые функциональные узлы — регистры сдвига, счетчики, сумматоры, дешифраторы. Условные графические изображения некоторых из этих схем приведены на рис. 2.10.

Рис. 2.8 Временная диаграмма работы IK -триггера

Рис. 2.9 Временная диаграмма работы D -триггера

Рис. 2.10 Условные графические изображения микросхем средней степени интеграции:

а — регистр сдвига, б — двоично-десятичный счетчик, в — дешифратор индикации

Схема RG (рис. 2.10, а) представляет собой регистр сдвига на четыре разряда. Входы (слева) и выходы (справа) этих разрядов обозначаются как 1, 2, 4, 8. По входу МС задается ре­жим управления (занесение информации с входов 1, 2, 4, 8 или сдвиг). Входы С 1, С2 являются входами син­хронизации; операции (за­несение или сдвиг) произ­водятся по импульсам, по­ступающим на эти входы. Вход МС является входом регистра сдвига.

Схема СТ2-10 (рис.2.10, б) представляет собой реверсивный декадный счет­чик, работающий в двоично-десятичном коде. Входы 1, 2, 4, 8 служат для парал­лельного занесения информации в счетчик. По входу W подается импульс занесе­ния в счетчик информации с входов 1, 2, 4, 8. По вхо­ду R подается импульс установки счетчика в нуль. Импульс по входу +1 уве­личивает число, содержа­щееся в счетчике на едини­цу. Импульс по входу —1 уменьшает это число на единицу. Выход Р+ является выходом переноса в стар­ший разряд и регистрирует переполнение счетчика под (переход счетчика из состояния 9(1001) к состоянию нуль (0000). Выход Р— является выходом займа из старшего разряда.

Схема DC > (рис. 2.10, а) является дешифратором цифровой индикации. Она дешифрирует подаваемый на ее входы 1, 2, 4, 8 двоично-десятичный код числа и в соответствии с этим кодом открывает один из выходов 0—9. Эти выходы выдерживают высо­кое напряжение (до 60 В) и могут быть подсоединены непосред­ственно ко входам газоразрядной индикаторной лампы.