Основные статические параметры
Входное напряжение логического "0" 
Входное напряжение логической "1" 
Выходное напряжение "0" 
Выходное напряжение "1" 
Пороговое напряжение логического элемента (ЛЭ) 
Статическая помехоустойчивость "0" – максимально
допустимая амплитуда положительной
(для положительной логики) помехи 
Статическая помехоустойчивость "1" – максимально
допустимая амплитуда отрицательной
(для положительной логики) помехи 
Напряжение источника питания 
Ток потребления от источника питания 
Входной ток "0" 
Входной ток "1" 
Выходной ток "0" 
Выходной ток "1" 
Мощность потребления в состоянии "0" 
Мощность потребления в состоянии "1" 
|
|
|
Коэффициент разветвления на выходе ЛЭ
– максимально допустимое количество входов
аналогичных ЛЭ подключенных к выходу ЛЭ 
Коэффициент объединения на входе ЛЭ
– максимальное количество входов ЛЭ 
Динамические параметры представляют собой ограничения относительно длительности переходных процессов в цифровых элементах и граничные частоты функционирования. Основные динамические параметры элементов во временной области показаны на рис. 6 на примере инвертирующего ЛЭ.
Рис. 6 – Динамические параметры ЛЭ
Основные динамические параметры.
Продолжительность фронта переключения сигнала
из состояния "0" в состояние "1" 
Продолжительность фронта переключения сигнала
из состояния "1" в состояние "0" 
Длительность задержки отключения ЛЭ, измеренная
от уровня 
до уровня 
Длительность задержки включения ЛЭ, измеренная
от уровня 
до уровня 
Длительность задержки распространения сигнала
|
|
|
при отключении логического элемента, измеренная
от уровня 
отрицательного перепада
до уровня 
положительного перепада 
Длительность задержки распространения сигнала
при включении логического элемента, измеренная
от уровня и положительного перепада
до уровня отрицательного перепада 
Среднее время задержки распространения сигнала
Средняя мощность потребления:
Входное сопротивление ЛЭ при 
Входное сопротивление ЛЭ при 
Выходное сопротивление ЛЭ при 
Выходное сопротивление ЛЭ при 
Максимальная рабочая частота,
на которой при наихудших условиях гарантируется
работоспособность элемента 
Предельно допустимая емкость нагрузки 
Предельно допустимая индуктивность нагрузки 
|
|
|
Кроме названных основных статических и динамических параметров элементов существует большое количество специфических параметров, присущих ЛЭ определенного класса.
РЕАЛИЗАЦИЯ ЛЭ
Логические функции легко реализуются при помощи диодов. На рис.7 представлена схема логического элемента «ИЛИ». На каждый из входов может подаваться сигнал в виде какого-то напряжения (единица) или его отсутствия (ноль). На резисторе R появиться напряжение даже при его появлении на каком – либо из диодов.
Рис. 7 – Логический элемент ИЛИ
Схема элемента логического «И» приведена на рис. 8. Если хотя – бы к одному из входов будет сигнал равный нулю, то через диод будет протекать ток. Падение напряжения на диоде не превышает 0,6 В, соответственно на выходе тоже будет низкий уровень. На выходе сможет появится высокий уровень только при условии, что все диоды будут закрыты, то есть на всех входах будет высокий уровень
Рис. 8 – Логический элемент И
Недостатком реализации логических элементов на диодах является невозможность их каскадирования, так как на каждом диоде падает напряжение и мощность сигнала при распространении по схеме уменьшается. Для улучшения характеристик логических элементов на диодах используется усилитель на транзисторах, а технология реализации ЛЭ получила название диодно-транзисторной логики (ДТЛ).
|
|
|
Схема логического элемента НЕ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером приведена на рис. 9.
При наличии положительного напряжения на входе х=1 транзистор открывается и напряжение его коллектора близко к нулю. Если х=0 то положительного сигнала на базе нет, транзистор закрыт, ток не проходит через коллектор и на резисторе R нет падения напряжения, соответственно напряжение коллектора близко к Еп.
Рис. 9 – Логический элемент НЕ
Пример реализации логического элемента «И-НЕ» посредством ДТЛ технологии показан на рис.10.
Рис. 10 – Логический элемент И-НЕ
Если х1=0 или х2=0, то через диод VD1 или VD2 будет протекать ток, а в точке А будет напряжение равное падению напряжения на диодах VD1, VD2. Для предотвращения открывания транзистора VT1 его база подключена к точке А через диод VD3, включенный в прямом направлении. Падение напряжения на VD3 при этом примерно равно падению напряжения на диодах VD1, VD2 и напряжение на базе транзистора VT1 равно нулю. Поэтому VT1 будет закрыт, а на выходе будет единица, что и требуется при наличии нуля на каком либо из входов.
Если х1=1 и х2=1, то через диоды VD1, VD2 ток протекать не будет. При этом транзистор VT1 будет переведен в открытое состояние током, протекающим от +Еп, через R1, VD3 и база-эмиттерный переход VT1. Так как VT1 будет открыт, то на выходе будет ноль, что требуется при наличии единиц на всех входах.
Недостатком технологии ДТЛ является низкая скорость переключения выхода ЛЭ из состояния низкого уровня в высокий, из-за медленного процесса утечки заряда с базы VT1, находящегося в режиме насыщения, через резистор R2.
В более современной и эффективной технологии, которая получила название ТТЛ данная проблема решена путём замены диодов на мультиэмиттерный транзистор, что также позволило уменьшить площадь кристалла и повысить плотность элементов.
Пример реализации логического элемента «И-НЕ» посредством ТТЛ технологии показан на рис.11.
Рис. 11 – Логический элемент И-НЕ ТТЛ
Логический элемент ТТЛ за счёт использования многоэмиттерного транзистора(МЭТ), объединяющего свойства диода и транзисторного усилителя, позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхем.
Рассмотрим работу логического элемента И-НЕ ТТЛ.
Если хотя бы на одном из входов х1 или х2 будет ноль, то на эмиттере МЭТ будет нулевой потенциал и он работает в нормальном режиме насыщения, так как в базу втекает ток резистора R1, поэтому потенциал коллектора МЭТ и базы VT1 близок к нулю. В этом случае VT1 находится в режиме отсечки, поэтому на коллекторе VT1 потенциал близок к потенциалу источника питания Еп, — на выходе элемента логическая 1.
Если х1=1 и х2=1, то от +Еп через R1, через прямосмещённый коллекторный переход МЭТ в базу VT1 будет втекать ток.
При этом VT1 переходит в состояние насыщения, его коллекторный потенциал становится близок к нулю (на выходе логический 0).
Таким образом, на выходе будет логический 0 только если все входы имеют состояние логической 1, это соответствует логической функции И-НЕ.
Достоинством ЛЭ ТТЛ является повышенное, по сравнению с ЛЭ ДТЛ быстродействие. Это обусловлено тем, что при переходе выхода из состояния логического нуля в логическую 1 транзистор VT1 выходит из насыщения. При этом неосновные носители, накопленные в в его базе относительно быстро стекают через коллектор насыщенного МЭТ, потенциал которого близок к нулю.
К недостаткам ЛЭ ТТЛ можно отнести большое энергопотребление от источника питания, которое вызвано значительными токами необходимыми для перевода биполярных транзисторов ЛЭ в режим насыщения, большую рассеиваемую мощность и импульсные помехи при переключении.
Снизить в несколько раз энергопотребление ЛЭ позволяет использование диодов Шотки, которые подключаются параллельно переходам биполярных транзисторов и предотвращают глубокое их насыщение. Такие ЛЭ получили название транзисторно-транзисторная логика на диодах Шотки (ТТЛШ). Структура объединяющая биполярный транзистор и диод Шотки получила название - транзистор Шотки, имеющий собственное обозначение на схемах (рис.12)
Рис. 12 – Транзистор Шотки
Существенно снизить энергопотребление ЛЭ позволило использование полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (МОП).
На рис. рис.13 показана схема инвертора на двух МОП транзисторах с N- и P-каналами. Высокий входной потенциал открывает транзистор с N-каналом и закрывает транзистор с P-каналом. Выход при этом имеет низкий уровень, так как через открытый канал соединен с общим проводом. При подаче на вход низкого уровня будет открыт верхний транзистор, а нижний закрыт. В результате ток от источника питания через микросхему не протекает при любом состоянии выхода.
Рис. 13 – Инвертор на двух МОП транзисторах
Пара транзисторов, сходных по абсолютным значениям параметров, но имеющих разные типы проводимостей называют комплементарной парой транзисторов. ЛЭ на комплементарных парах получили название комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (КМОП, CMOS).
Так как в схеме нет нагрузочных сопротивлений, то в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление в статическом режиме очень низкое. Электрическая энергия от источника питания тратится в основном при переключении на заряд емкостей затворов и проводников. Таким образом потребляемая мощность пропорциональна частоте этих переключений. Необходимо также учитывать, что переключение транзисторов имеет конечное время, поэтому на короткое время оба типа транзисторов могут быть открыты и через их каналы возникает ток короткого замыкания. На высоких частотах (100-1000 мГц) переключений потребляемая мощность ЛЭ КМОП становится сравнимой с мощностью потребляемой ЛЭ ТТЛШ.
На рис. 14 представлена схема КМОП ЛЭ 2И-НЕ. Для перевода выхода в низкое состояние необходимо, чтобы каналы транзисторов VT1 и VT2 были открыты, что достигается подачей высокого уровня одновременно на X1 и X2. Транзисторы VT3 и VT4 при этом будут закрыты. При любых других состояниях X1 и X2 выход будет подключен через открытые VT3, VT4 к источнику питания и на нем будет высокий уровень.
Рис. 14 – ЛЭ 2И-НЕ КМОП
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 724; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!