Базові елементи цифрових інтегрованих мікросхем (Глава 4 навчального посібника)

Глава 4

БАЗОВІ ЕЛЕМЕНТИ

ЦИФРОВИХ ІНТЕГРОВАНИХ МІКРОСХЕМ

Логічний елемент, який здійснює одну й ту саму функцію, можна побудувати на основі електронних ключів різного типу, що відрізняються схемним і технологічним виконанням. Базовий елемент (БЕ) цифрових інтегрованих мікросхем (ІС) є логічний елемент конкретного типу технології та схемотех-ніки. Серед сучасних цифрових ІС набули поширення БЕ на основі біполярної технології: ТТЛ – транзисторно-транзисторної логіки, ЕСЛ – емітерно-сполученої логіки, І2Л – інтегрованої інжекційної логіки, а також на основі уніполярної технології: МОНТЛ – на  МОН-структурах та КМОНТЛ – на комплементарних МОН-структурах.

Комплект ІС різного призначення, побудованих на основі БЕ  одного типу, що має єдине конструктивно-технологічне виконання, утворює серію ІС. На основі ІС однієї серії, а іноді також різних серій з однаковим конструктивним виконанням зручно будувати пристрої, бо не має потреби в електричному та конструктивному узгодженні елементів.

§4.1. БАЗОВІ ЕЛЕМЕНТИ ТТЛ

4.1.1. Базові елементи з простим інвертором

До комплекту серій ІС ТТЛ входить понад 100 типономіналів – різновидів ІС за функційним призначенням. Поширення ІС ТТЛ зумовлене їх універсальністю, добре розвиненою технологією і схемотехнікою, а також параметрами, що задовольняють вимоги побудови пристроїв різноманітного призначення.

Елементи ТТЛ походять від схем діодно-транзисторної логіки (ДТЛ). БЕ ДТЛ (рис. 4.1,а) виконує логічну функцію І-НЕ та утворюється від елемента І діодної логіки (див. рис. 3.5,б) додаванням на його виході ключа-інвертора на транзисторі VT, емітерний перехід V_бе якого еквівалетний діоду VD_н.

З надходженням хоча б на один зі входів х₁, х₂ напруги рівня лог. 0 відповідний вхідний діод відчиняється, тому напруга в точці А схеми стає низькою, недостатньою для відкривання трьох p-n-переходів: двох діодів зміщеня VD_зм та емітерного переходу V_бе, внаслідок чого транзистор VT опиняється в режимі відтину й на його виході у встановлюється напруга рівня лог. 1: U1»E_ж. Лише з надходженням до всіх входів напруг рівня лог.1 вхідні діоди зачиняються, струм від джерела E_зм перемикається до бази транзистора, тому останній переходить до режиму насичення і напруга на його виході y зменшується до рівня лог. 0: U0=U_к.н. Через те, що входи х_i виявляються при цьому ізольованими, елемент не споживає струм від джерела сигналу.

БЕ ТТЛ (рис. 4.1,б) відрізняється від БЕ ДТЛ тим, що в ньому роль вхідних діодів, які виконують функцію І, та діодів зміщення відіграє багатоемітерний транзистор (БЕТ) VT1: його емітерні переходи V_бе1 еквівалентні діодам VD1, VD2, а колекторний перехід V_бк1 – діоду VD_зм. Ключ-інвертор на транзисторі VT2, як і раніше, забезпечує відновлення стандартних логічних рівнів на виході схеми. Крім того, БЕТ пришвидшує процес вимикання цього ключа.

Формально принцип дії елементів аналогічний. Проте внаслідок взаємодії переходів у БЕТ є відмінність між елементами ТТЛ і ДТЛ. Під час зменшення вхідної напруги, наприклад, на вході х₁ до рівня лог. 0 зворотний струм I_б2 розсмоктування заряду в насиченому транзисторі VT2 замикається через транзистор VT1, який при цьому опиняється в активному режимі: його робоча точка А (рис. 4.1,в) визначається струмом I_к1=I -_б2 значної величини і напругою u_ке1 = Uпр - U_к.н           (при з’єднанні входу х1 з колектором насиченого транзистора). Через це струм   I -б2 = h21eIб1 підсилюється транзистором VT1 і пришвидшує процес розсмо-ктування та вимикання транзистора VT2 (у БЕ ДТЛ розсмоктування затягується, бо струм Iб  протікає через резистор R з великим опором). В міру зачинення ключа VT2  робоча точка рухається траєкторією А-Н і, отже, БЕТ переходить до режиму насичення з мікрострумом у колі колектора, що дорівнює зворотному тепловому струмові Iко транзистора VT2. На початку координат точці Н відповідає залишкова напруга uке1=Uзал<Uк.н, яка за величиною не перевищує 0,05...0,1 В, тому напруга на базі транзистора VT2 близька до вхідної: uб2=U0+Uзал<Uбо і підтримує його в стані відтину.

З надходженням на всі входи напруги рівня лог. 1 всі емітерні переходи БЕТ VT1 зачиняються, а його колекторний перехід Vбк1 та базовий перехід Vбе2 інвертора відчиняються, транзистор VT2 переходить до режиму насичення. Елементарний транзистор VT у складі БЕТ (рис. 4.1,г) при цьому виявляється в активному інверсному режимі – ролі емітера та колектора міняються місцями, тому струм Iк1=Ie1+Iб1 » Iб1, бо інверсний емітерний струм, що втікає в схему I1вх=Iе1=h21e.іIб1«Iб1 через те, що в інверсному ввімкненні коефіцієнт h21e.і«1. Отже, від джерела сигналу до емітера втікає вхідний струм I1вх, що навантажує його, тому цей струм зменшують до мінімуму; типове значення  Iвх1£40 мкА.

Позитивною якістю розгляненого елемента ТТЛ є підвищення його швидкодії відносно ДТЛ внаслідок того, що пришвидшується розсмоктування заряду в інверторі, а недоліком є зниження завадостійкості, бо в колі зміщення ТТЛ на один p-n-перехід менше. Крім того, як і в БЕ ДТЛ та в звичайному ключі, в елементі ТТЛ затягується фронт вимикання під час заряджання ємності навантаження Cн через великий опір резистора Rк. Ці недоліки усуваються в елементах зі складним інвертором, які й набули практичного застосування.