UTsA

Выходные характеристики ДТЛ и ТТЛ представлены на рис.1. В открытом состоянии во входной цепи этих схем течет малый положительный ток. В закрытом состоянии течет большой ток, вытекающий из микросхемы.

Передаточная характеристика микросхемы представлена на рис.2. От числа нагрузок микросхемы зависит уровень «0».

Основные параметры интегральных микросхем

Кчислу основных параметров относятся:

Статическая помехоустойчивость;

Потребляемая мощность;

Средняя задержка сигнала;

Коэффициент объединения по входу;

Коэффициент объединения по выходу.

Их можно разделить на 2 группы:

1)К первой группе относятся коэффициент объединения по входу и коэффициент объединения по выходу.

Эти параметры характеризуют логические возможности систем и определяют их допустимые сочетания в сложных устройствах.

2)Ко второй группе параметров относятся статическая помехоустойчивость, средняя задержка сигнала и средняя потребляемая мощность.

Эти параметры могут принимать абсолютные значения.

Коэффициент объединения по входу.

Этот коэффициент обозначается буквой m и определяет максимальное число входов логической схемы. Чем больше m, тем шире логические возможности схемы и тем меньшее число схем требуется для создания сложного устройства. Для разных типов логических схем коэффициент объединения может составлять от 2 до 10. Увеличение коэффициента объединения ограничено ухудшением других основных параметров схемы.

Коэффициент объединения по выходу.

Обозначается буквой n и характеризует максимальное число схем, аналогичных рассматриваемой, которые могут одновременно подключаться к ее выходу. Чем больше n, тем больше логические возможности схемы и тем меньше число схем, необходимых для построения сложных устройств. n обычно меняется от 4 до 25. Увеличение n ограничено тем, что с ростом числа нагрузок ухудшается другие основные параметры схемы, главным образом, статическая помехоустойчивость и средняя задержка сигнала.

Статическая помехоустойчивость.

Она характеризует максимально допустимую величину напряжения статической помехи, при которой сохраняется работоспособность схемы. Существует помехоустойчивость закрытых схем (высокий уровень выходного напряжения) и открытых схем (низкий уровень выходного напряжения). Под статическими помехами понимают такие помехи, величина которой остается

постоянной в течение времени, значительно превышающего длительность переходных процессов схемы. В качестве основного параметра, характеризующего статическую помехоустойчивость, обычно принимают максимально допустимую амплитуду отпирающих и запирающих помех, которые не приводят к сбою их работы. Иногда используют не абсолютные значения помех, а их отношения к логическому перепаду:

	Коэффициент помехоустойчивости:	п =	п±
			∆
	Потребляемая мощность.

Этой формулой определяется мощность, потребляемая схемой от источника питания.

Ej – напряжение j-ого источника питания.

Ij – ток в соответствующем выводе схемы.

Мгновенная мощность потребляемой схемы непостоянна. Она зависит от того, в каком состоянии находится схема, и изменяется при переключении схемы. Обычно используют не мгновенную, а среднюю мощность, которая получается при усреднении мгновенной мощности за небольшой промежуток времени.

ТТЛ характеризуется малой потребляемой мощностью в статическом режиме и большой потребляемой мощностью при переключении. В них в процессе переключения значительно возрастают токи в цепи питания, поэтому средняя потребляемая мощность зависит от частоты переключения. В справочниках дают среднюю потребляемую мощность при максимальной частоте следования входных импульсов со скважностью, равной 2.

Средняя задержка прохождения сигнала.

Лекция 6

Транзисторно-транзисторная логика

Рассмотрим характеристики элемента при изменении потенциала Uвх на m0 входах схемы и поступлении на остальные m-m0 входы постоянного высокого потенциала U+(«1»).

Получаемая передаточная характеристика Uвых(Uвх) показана на рисунке. Там же показаны графики, иллюстрирующие изменение потенциала Uб0 и Uб1 на базах транзистора T0 и T1.

Когда Uвх = U0(«0»), то соответствующие m0 эмиттерных переходов МЭТ открыты и потенциал Uб = U* = 0,6..0,8 В, где U* - напряжение на открытом p-n-переходе. Ток базы протекает через эмиттерные переходы МЭТ, а в коллектор не поступает. Поэтому на базу транзистора T1 ток также не поступает, и Т1 закрыт.

На выходе схемы устанавливается высокий потенциал: = = −

вых

E – напряжение питания;

In – вынужденный ток, обрабатываемый в нагрузку.

Входной ток Iб0, втекающий в базу МЭТ:	б =	( − −вх)	=	−	, т.к. Uвх = 0

Через закрытые m-m0 эмиттерные переходы протекают очень небольшие инверсные входные токи. Они вытекают по схемам. При увеличении напряжения Uвх1 потенциалы Uб0 и Uб1 увеличатся. Когда Uвх достигает порога переключения эмиттерного перехода МЭТ, то они закрываются. Ток базы Iб0 начинает течь в коллекторный переход МЭТ и даже в фазу Т1. Т1 открывается и насыщается. В результате на выходе схемы устанавливается низкий потенциал U0, равный остаточному напряжению на насыщенном транзисторе Т1 примерно 0,1-0,2 В.

Диод Шоттки стоит для увеличения быстродействия микросхемы, так как предотвращает насыщение транзистора Т1. Есть серии ТТЛШ – это серии, в которых стоят внутри диоды Шоттки. Они быстродействующие, но у них плохая помехоустойчивость, так как за счет того, что отсутствует насыщение Т1, уменьшается помехоустойчивость.

Элемент ТТЛ со сложным инвертором

Если напряжение на одном из входов равно «0», то весь ток, текущий через сопротивление R1, ответвляется до входной цепи схемы, при этом входной ток, вытекающий из схемы, имеет максимальное значение. Т1 и Т2 заперты.

Выходное напряжение схемы в закрытом состоянии зависит от тока, потребляемого ее нагрузками. Оно отличается от напряжения питания на величину напряжения на эмиттерном переходе транзистора Т3 и диоде D – смещения. Выходной ток схемы в закрытом состоянии обеспечивается транзистором Т3. Повышение напряжения на входе схемы в начале приводит к увеличению напряжения на базе МЭТ приблизительно на ту же величину, так как открытый эмиттерный переход имеет малое сопротивление по сравнению с R1, поэтому входной ток уменьшается (участок 1).

Повышение напряжения на входе схемы приводит к увеличению напряжения на базе запертого транзистора Т2. Пока эмиттерный переход входного транзистора открыт, приращение напряжения на базе Т2 приблизительно равно увеличению напряжения на входе схемы. Отпирание транзистора Т2 приводит к резкому уменьшению входного тока схемы (участок 2) за счет перераспределения тока, задаваемого сопротивлением R1 между входом схемы и базой транзистора Т2. Дальнейшее повышение входного напряжения сопровождается запиранием эмиттерного перехода входного транзистора (участок 3).

А транзистор Т3 запирается, так как напряжение между коллекторами транзисторов Т2 и Т1 оказывается ниже, чем суммарный порог отпирания транзистора Т3 и смещающего диода.

В цепи коллектора Т1 текут только входные токи схем нагрузок. Назначение смещающего диода в надежном запирании транзистора Т3 при насыщении Т1 и Т2. Это позволяет уменьшить мощность, потребляемую схемой в открытом состоянии.

Коэффициент разветвления по выходу и помехоустойчивость схемы со сложным инвертором выше за счет более высокого порога запирания схемы, что обусловлено наличием транзистора Т2. Коэффициент разветвления у схемы больше за счет транзистора Т3, так как схема имеет малое выходное сопротивление в закрытом состоянии, и транзистор Т3 закрытой схемы обеспечивает достаточный ток в открытые схемы нагрузки.

Выходные вольт-амперные характеристики ТТЛ-схем

При большом токе нагрузки н = ∙ вх,

где N – коэффициент разветвления,

вх – ток нагрузки следующей микросхемы.

Уменьшается степень насыщения транзистора Т1 и резко возрастает вых(«1»).

В качестве особенности элемента со сложным инвертором следует отметить недопустимость соединения выходов нескольких схем. Если допустили такое соединение, ток в состоянии, когда один из элементов имеет на выходе низкий потенциал (логический «0»), а другой – высокий потенциал (логический «1»). Через последовательно соединенные транзистор Т1 одной схемы и транзистор Т3 другой схемы потечет значительный сквозной ток. При этом резко возрастает потребляемая мощность и возможен выход схем из строя, так ка транзисторы Т1 и Т3, и диод D- смещения не рассчитаны на протекание больших токов.

На данном рисунке изображен элемент «И», «ИЛИ-НЕ». Элемент содержит k сборок, каждая из которых состоит из резисторов R0, транзисторов Т1 и МЭТ. Каждый МЭТ выполняет операцию «И» над входными переменными. Параллельное включение транзисторов Т1 реализует операцию «ИЛИ», а сложный инвертор обеспечивает операцию «НЕ». Подключение каждой дополнительной сборки увеличивает потребляемую мощность и снижает быстродействие.

Схема ТТЛ с открытым коллектором

Коллектор транзистора Т1 выведен на корпус. При использовании таких схем коллектор нужно подключать через сопротивление +5В.

Схема монтажного (проводного) «ИЛИ»

Поскольку выходы микросхем соединять между собой нельзя, то выходы нескольких микросхем с открытым коллектором можно через одно сопротивление подключить к источнику питания.

Общие сведения о микросхемах ТТЛ

Для микросхем серий ТТЛ оставлять входы невыключеными нельзя; их можно подключить к используемым входам того же элемента, но это увеличивает нагрузку на предыдущую микросхему, что снижает быстродействие. Неиспользуемые входы можно подключить к инвертору, вход которого заземлен, или к источнику питания +5В через резистор. Нельзя подключать ко входу микросхемы проводник, который во время работы может оказаться неподключенным к выходу источника сигнала, например, при управлении надкнопки.

У всех серий ТТЛ питание +5В. Уровень «0» от 0,2 до 0,5 В. Уровень «1» от 2,5 В и выше.

Все серии ТТЛ можно использовать совместно. Они все взаимозаменяемы. Отличаются быстродействием, помехоустойчивостью и потребляемой мощностью.

Лекция 7

МДП-металл-диэлектрик-полупроводник

В этих элементах используется только один тип компонентов. МДП-транзистор с каналом p или n типа.

Наиболее широко используются элементы на n-канальных МДП-транзисторах, которые обеспечивают более высокое быстродействие, и по своим уровням и порогам совместимы с ТТЛ.

Логические элементы на однотипных МДП-транзисторах

Динистор потенциален на всех входах транзисторах Т1, они закрыты, и токи стока равны нулю, т.к. в схеме не течет ток Uвых = 1. При этом закрыты транзисторы Т1 и Т0. Величина выходной «1» определяется отношением и сопротивлением течки. Находится в пределах от E до E-U0. При увеличении напряжения на входах соответствующие транзисторы Т1 отпираются. Когда Uвх достигает порогового значения, начинает течь ток стока. При дальнейшем увеличении Uвх ток стока увеличивается и Uвых уменьшается.

Входные токи в элементах МДП практически отсутствуют, поэтому коэффициент разветвления оказывается большим.

Логические элементы на комплементарных МДП-транзисторах

Когда на все входы схемы подаётся логический ноль, транзисторы Тп закрыты, а Тр – открыты; т.к. через транзистор Тп ток не протекает, на выходе логическая единица, когда потенциал на входе увеличивается, открывается транзистор Тп; в схеме начинает течь ток, напряжение на транзисторах Тр увеличивается. При дальнейшем увеличении Uвх транзисторы Тп открываются и насыщаются, Тр

– закрываются, и на выходе устанавливается логический ноль.

Помехоустойчивость этих схем значительно больше, чем для всех других типов элементов. Ток питания и мощность потребляются только в режиме переключения. В статическом режиме токи питания в схеме не протекают, и потребляемая мощность равна нулю.

Комбинационные элементы

Комбинационные элементы – это такие элементы, состояние выходов у которых зависит от комбинации входных логических сигналов.

В общем случае комбинационный элемент представляют в виде

Он описывается k логическими уравнениями, каждое из которых связывает состояние входов с каждым из k выходов. Чтобы описать функционирование устройства, нужно написать k уравнений.

Дешифраторы

Дешифраторы являются комбинационными элементами и предназначены для процедуры распознавания входных кодов, представленных в виде комбинаций логических нулей и единиц.

Полный дешифратор представляет собой	-полюсник и позволяет распознавать любую
комбинацию логических нулей и единиц его входов.

Для того, чтобы осуществить дешифрацию входных кодов, каждой из двух выходных шин дешифратора ставится в соответствие определенная кодовая комбинация входных символов.

Тогда при появлении на входе какой-либо комбинации на соответствующей выходной шине появляется сигнал логической единицы, т.к. существует однозначное соответствие между комбинацией на входе и выходной шиной дешифратора, то есть единица может появиться только на одном выходе.

Матричный дешифратор

Каждая комбинация, присутствующая на входе, дает единицу только на одном выходе, то есть каждое входное двоичное число преобразуется в единицу на соответствующей шине.

Достоинства: дешифратор имеет максимальное быстродействие.

Недостатки: при увеличении числа входов возрастает число входов элементов «И», используемых для построения.

Многоступенчатые дешифраторы

Распишем совокупность логических уравнений, описывающих функционирование дешифраторов. Рассмотрим особенности этих уравнений.

Выделенный блок повторяется 4 раза. Чтобы реализовать выделенные блоки, достаточно построить матричный дешифратор. Один матричный дешифратор реализует функцию от x1x2, второй матричный дешифратор реализует выделенные блоки от x3x4. Остается их перемножить.

Достоинства: дешифратор может быть построен только с использованием двухвходовых элементов

«И».

Недостатки: маленькое быстродействие.

Шифраторы

Многополюсник, который выполняет функцию, обратную дешифратору, называется шифратором. На одну из входных шин подается сигнал «1»; в результате на выходе мы получаем кодовую комбинацию.

Сумматоры

Сложение

Вычитание

Двоичный полный сумматор складывается переносом двух многоразрядных двоичного числа. Полный сумматор представляет собой устройство с тремя входами и двумя выходами.

A и B – комбинации входных импульсов;

C – вход сигнала переноса;

S – выход суммы

P – выход старшего разряда (переноса)

Мультиплексоры

Мультиплексором называется коммутационное устройство, которое позволяет по определенной программе подключать входные шины к выходным. На шины A B C подается вход адреса.