- •Схемотехника эвм
- •Содержание
- •Предисловие
- •Введение
- •1. Основные определения и характеристики схем цифровых устройств
- •1.1. Основные определения в области микросхемотехники
- •1.2. Основные обозначения на схемах
- •1.3. Основные положения модели поведения полупроводниковых приборов
- •1.3.1. Полупроводниковый p-n-переход.
- •1.3.2. Полупроводниковый диод
- •1.3.3. Биполярный транзистор
- •1.3.4. Полевой транзистор
- •2. Основные понятия алгебры логики
- •Введение в алгебру логики
- •Булевый базис
- •2.3. Произвольные функции и логические схемы
- •Законы булевой алгебры
- •2.5. Положительная и отрицательная логика
- •3. Цифровые интегральные микросхемы
- •3.1. Параметры микросхем
- •3.2. Особенности логических элементов различных логик
- •3.2.1. Диодно-транзисторная логика
- •3.2.2. Высокопороговая логика
- •3.2.3. Транзисторно-транзисторная логика
- •Универсальные (стандартные) серии ттл
- •Микромощные микросхемы ттл
- •Микросхемы ттл повышенного быстродействия
- •Микросхемы ттл с транзисторами Шотки
- •Способ увеличения числа входов и, или
- •Исключающее или
- •Соединение входов и выходов микросхем ттл
- •Неиспользуемые логические элементы ттл
- •Неиспользуемые входы ттл
- •Совместное применение разных серий ттл
- •3.2.4. Типы выходных каскадов Микросхемы с открытым коллектором
- •3.2.5. Микросхемы с тремя логическими состояниями
- •4. Логические элементы на кмоп-транзисторах
- •4.1. Логические элементы на моп-транзисторах
- •4.2. Цифровые микросхемы кмоп
- •4.3. Микросхемы с буферными выходами
- •Основные логические элементы кмоп
- •5. Схемотехника интегральных схем инжекционной логики и эсл
- •5.1. Схемы с непосредственными связями
- •5.2. Схемотехника ис инжекционной логики и2л
- •5.3. Эмиттерно-связанная логика
- •6. Триггеры
- •6.1. Общие сведения о триггерных устройствах
- •6.2. Асинхронный rs-триггер
- •6.3. Триггерные системы
- •6.3.1. Синхронный rs-триггер
- •6.4. Тактируемый d-триггер
- •6.5. Счетный т-триггер
- •6.6. Двухступенчатые триггеры
- •7. Счетчики
- •7.1. Общие положения
- •7.2. Классификация счетчиков
- •7.2.1. Асинхронные суммирующие счетчики с последовательным переносом
- •7.2.2. Асинхронные вычитающие счетчики с последовательным переносом
- •7.2.3. Асинхронные реверсивные счетчики с последовательным переносом
- •7.3. Параллельное соединение счетчиков
- •7.4. Последовательное соединение счетчиков
- •7.5.Синхронные двоичные счетчики со сквозным переносом.
- •7.6.Синхронные двоичные счетчики с параллельным переносом.
- •8. Регистры
- •8.1. Назначение и классификация регистров
- •8.2. Регистры памяти
- •8.3. Буферы данных
- •8.4. Регистры сдвига
- •Кольцевые счетчики
- •9. Мультиплексоры и демультиплексоры
- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Мультиплексоры
- •9.3. Демультиплексоры
- •10. Шифраторы и дешифраторы
- •10.1. Шифраторы
- •10.2. Дешифраторы
- •11. Арифметические устройства
- •11.1. Сумматоры
- •Четвертьсумматор
- •Полусумматор
- •Полный одноразрядный двоичный сумматор
- •Сумматоры с последовательным переносом
- •11.2. Инкрементор
- •11.3. Вычитатели (субтракторы)
- •11.4. Компараторы
- •Основные характеристики компараторов
- •Компараторы аналоговых сигналов
- •Компараторы цифровых сигналов
- •Компаратор на базе сумматора
- •11.5. Арифметико-логические устройства
- •12. Импульсные устройства на имс
- •12.1. Формирователи импульсов
- •12.2. Схемы нормализации импульсов
- •12.3. Схемы укорачивания импульсов
- •12.4. Схемы задержки импульса
- •12.5. Одновибраторы
- •12.6. Генераторы тактовой частоты
- •13. Запоминающие устройства
- •13.1. Общие характеристики устройств
- •13.2. Запоминающие элементы постоянных зу
- •13.3. Оперативные запоминающие устройства
- •13.3.1. Динамические зу
- •13.3.2. Статические зу
- •14. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •14.1. Общие сведения
- •14.2. Цифро-аналоговые преобразователи
- •14.3. Аналого-цифровые преобразователи
- •14.3.1. Характеристики и параметры ацп
- •14.3.2. Ацп последовательного счета
- •14.3.3. Параллельный ацп
- •14.3.4. Сигма-дельта ацп
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Приложение 1 Перечень стандартов
- •Основные стандарты ескд
- •Система технологической документации
- •Стандарты системы информационно-библиографической документации
- •Система стандартов по безопасности труда
- •Разработка и постановка продукции на производство
- •Система стандартов программной документации
- •Основополагающие стандарты гсп
- •Приложение 2
- •Цифровых устройств
5. Схемотехника интегральных схем инжекционной логики и эсл
5.1. Схемы с непосредственными связями
Элементы транзисторной логики с непосредственными связями (ТЛНС) относятся к начальному периоду разработки микросхем и на практике не применяются. Однако идеи построения этих элементов используются в современных микросхемах. Основная идея таких логических элементов заключается в суммировании (вычитании) проводимостей (сопротивлений) в выходных цепях полупроводниковых цифровых ключей в зависимости от комбинации входных сигналов (представленных уровнями тока или напряжения во входных цепях).
Для сравнения можно вспомнить логические элементы РТЛ или ДТЛ, где суммирование происходит во входной цепи.
Простейшие схемы логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ ТЛНС представлены на рис. 5.1.
Простота схем приводила к тому, что их рассматривали как схемную основу цифровой полупроводниковой электроники. Однако у этих схем есть ряд недостатков.
Один из недостатков состоит в том, что логический элемент И-НЕ ТЛНС имеет индивидуальную характеристику по каждому входу. Это приводит к тому, что не обеспечивается единство схемного интерфейса по разным логическим входам. Из рис. 5.1 видно, что входные сопротивления по входам х1 и х2 различны. Другим недостатком является то, что здесь должна рассматриваться передаточная характеристика не в виде Uвых = f(Uвх), а в виде Iк = f(Iвх).
Рис. 5.1. Схемы элементов с непосредственными связями
Более существенный недостаток проявляется в том, что при включении выхода на несколько нагрузок возникает явление перехвата тока. Из рис. 5.2 видно, что при параллельно включенных p-n-переходах на линии нагрузки (1-го каскада) установится напряжение Uбэ, определяемое транзистором с наиболее крутой вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Величины токов базы транзисторов при этом могут отличаться в десятки раз. Это явление и получило название перехвата тока.
Рис. 5.2. Подключение двух нагрузок к общему выходу
При этом управляющие токи Iб1, Iб2 в нагрузках (логических элементах 2-го каскада) будут существенно различаться вплоть до отсутствия напряжения Uвых в некоторых логических элементах.
В целях устранения этого явления в цепи базы вводят дополнительные резисторы Rд1, Rд2 (создают модифицированные ТЛНС (МТЛНС). Однако резистор занимает на кристалле микросхемы много места, а быстродействие оказывается существенно ниже, чем у микросхем ТТЛ.
Решение проблемы перехвата тока было найдено в разработке микросхем интегральной инжекционной логики (ИИЛ). На рис. 5.3 приведено новое разделение элементов предыдущей схемы.
Рис. 5.3. Схема выделения базового элемента ИИЛ
Новый логический элемент ЛЭ включает нагрузочный резистор Rк микросхемы источника сигнала и входные транзисторы нагрузок VTн1, VTн2. Выделение произведено по цепям коллекторов. Резистор Rк в новом элементе заменен транзистором.
5.2. Схемотехника ис инжекционной логики и2л
Схемы интегральной инжекционной логики (ИИЛ), или И2Л-схемы, являются развитием схем с непосредственными связями. Основные положения, на которых базируется построение схем с непосредственными связями, остаются в силе при построении И2Л-схем, выполненных на современном уровне и с использованием всех последних достижений интегральной технологии. Работоспособность такой схемы зависит от выбора нагрузки предыдущего каскада Rк, задающей ток в базовой цепи выходного транзистора (пунктир на рис. 5.4, а).
Основу схемотехники И2Л составляет инвертор (рис. 5.4, б), работающий в насыщенном режиме и выполненный на многоколлекторном транзисторе VT2, обеспечивающем развязку выходов для исключения их взаимного влияния.
Нагрузка для предыдущего каскада Rк, принадлежащая его базовой цепи, в новом элементе выполнена на p-n-p – транзисторе VT1. Схема очень технологична и занимает минимальную площадь на кристалле. Область n нового элемента принадлежит как базе p-n-p – транзистора, называемого инжектором, так и эмиттеру ключевого транзистора – инвертора (его база p является коллектором инжектора).
а б
Рис. 5.4. Схема инвертора инжекционной логики: а – задание режима;
б – типовая схема инвертора
Особенностью этой схемы является то, что она допускает исключительно изящную реализацию в интегральной схеме. Здесь ток базы многоколлекторного транзистора задается непосредственной инжекцией неосновных носителей в эмиттерную область транзистора n-p-n (VT2) (эмиттер VT2 – он же база VT1). Именно это и определило название рассматриваемых логических элементов.
Упрощенно базовый элемент ИИЛ представляется схемой, изображенной на рис. 5.5, а, где p-n-p-транзистор представлен генератором тока. Напряжение питания И2Л-схем составляет 1,5 В, амплитуда логического сигнала ~0,7 В. Благодаря высокоомности нагрузки, реализуемой p-n-p-транзистором (см. рис. 5.4, б), мощность рассеяния может быть снижена до 20 мкВт. При задержке инвертора tзд.р = 50 нс это обеспечивает И2Л-схеме работу переключения А = 0,02·50 = 2 пДж (в 100 раз меньше, чем у ТТЛ-схем). Плотность элементов на кристалле И2Л-схем в 50 раз выше, чем у ТТЛ-схем. Все это делает схемотехнику И2Л весьма перспективной для БИС.
а б
Рис. 5.5. Логические элементы логики И2Л: а – упрощенная схема инвертора;
б – логический элемент И–НЕ с диодами Шотки
При использовании диодов Шотки в качестве диодной логики и развязки цепей на входе, а транзисторов Шотки – в качестве инверторов (рис. 5.5, б), показатели И2Л-схем могут превзойти комплексные показатели любых схем на основе кремния. Однако по быстродействию эти схемы уступают ТТЛШ и ЭСЛ-схемам.
Схемотехника И2Л не используется для производства логических элементов, так как эффективна в интегральных схемах высокой степени интеграции.