Основные функциональные элементы цифровых интегральных микросхем

Все цифровые ИС строятся на основе относительно небольшого числа стандартных типовых структур, выполняющих простейшие логические операции И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И, ИЛИ. Для получения элементов, предназначенных для реализации более сложных логических функций (например, счет, суммирование, запоминание и т.д.), эти исходные структуры определенным образом соединяют между собой. Совокупность выполняющих различные функции элементов, которые имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения, условились называть серией интегральных микросхем. Промышленностью налажен выпуск более чем четырех десятков серий ИС, которые различаются составом элементов, технологией изготовления, конструктивным оформлением, быстродействием, энергопотреблением, требуемым напряжением питания и некоторыми другими параметрами.

Рассмотрим устройство и принцип работы основных элементов для тех серий ИС, которые находят наиболее широкое применение в электронных устройствах и преобразователях.

На рис. 72 показана принципиальная схема четырехвходового базового логического элемента И- НЕ транзисторно-транзисторной серии К155, а на рис. 73—компоновка двух таких элементов в сдвоенном четырехвходовом инверторе типа K155JIA1. Оба инвертора смонтированы в корпусе, который приведен на рис. 71, б. Корпус снабжен 14 выводами. Вывод 7 является общим, к нему и к выводу 14 подводится напряжение источника питания U_n. Выводы 1, 2, 4 и 5 для одного инвертора и 9, 10, 12 и 13 для другого являются входными, а соответственно выводы 6 и 8 — выходными. Цилиндрическая выемка на корпусе микросхемы (см. рис. 71, б) является ключом и позволяет осуществлять отсчет выводов. На электрических схемах питание ИС, как правило, не показывают и ограничиваются только обозначением входных и выходных выводов, как это сделано на рис. 73. Все транзисторы, включая многоэмиттерный транзистор VT1, диоды и резисторы, рассматриваемой микросхемы получают методом интегральной технологии, описанной ранее.

Разберем работу базового элемента И-НЕ (см. рис. 72). В его состав входят многоэмиттерный транзистор VT1, четыре транзистор a VT2 — VT5, четыре защитных диода VD1 — VD4, ДИОД смещения VD5 и пять резисторов Rl — R5. Логическая функция И в схеме реализуется транзистором VT1, а транзистор VT2 служит в качестве инвертора. Транзистор VT4 выполняет функции эмиттерного повторителя с нагрузкой в виде транзистора VT5.

Если на всех входах 1, 2, 4 и 5 (эмиттеры транзистора VT1) действует логический сигнал 1, т.е. потенциал, близкий к напряжению U_n, то все переходы эмиттер-база транзистора VT1 закрыты. Переход коллектор-база этого транзистора открыт приложенным в прямом направлении напряжением источника +U_n. Транзистор VT2 при этом открыт и передает на базу транзистора VT5 высокий потенциал, близкий к + U_u. Благодаря этому транзистор VT5 также открыт. Вследствие низкого потенциала коллектора транзистора VT2 и наличия смещающего диода VD5 переход база - эмиттер транзистора VT4 оказывается запертым, а сам транзистор — закрытым. Таким образом, при наличии на всех входах элемента логической 1 на его выходе (вывод 6) присутствует логический 0, так как транзистор VT5 находится в проводящем состоянии, а транзистор VT4 — в непроводящем.

При воздействии сигнала 0 хотя бы на один из входов транзистор VT2 закрывается, а транзистор VT4 открывается из-за повышения потенциала на базе и работает как эмиттерный повторитель. Закрывается и транзистор VT5. Таким образом, состояние транзисторов VT4 и VT5 меняется на противоположное и на выходе схемы устанавливается потенциал логической единицы.