Отсутствие собственного потребления тока выходной цепью сложного инвертора делает рассматриваемый элемент достаточно экономичным.
Вместе с тем, эта схема имеет существенный недостаток. При формировании логической единицы на выходе ток закрытого транзистора VT3 Iкоз протекает через резистор R4 (рисунок 7.2), создавая на нем падение напряжения, направленное на отпирание транзистора. Чтобы снизить это напряжение значение резистора R4 берется не очень большим (сотни Ом).
Малое значение R4 шунтирует переход база-эмиттер VT3 при его отпирании. Например, при напряжении Uбэ.нVT3=0,6 В через резистор R4=1 кОм протекает ток 0,6 мА. Следовательно, VT3 начнет отпираться только после того, как ток через резистор R4 возрастает до 0,6 мА. Это приводит к растягиванию во времени переходной области передаточной характеристики рассматриваемого элемента (рисунок 6.1).
Кроме того, наличие R4 влияет на стабильность параметров ТТЛ - элемента в рабочем диапазоне температур. Этот резистор имеет положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). При возрастании температуры значение R4 увеличивается, его шунтирующее действие уменьшается, ток базы VT3 увеличивается, транзистор VT3 насыщается сильнее, что может увеличить время его выключения, т.е. ухудшает быстродействие. При снижении температуры значение R4 падает, его шунтирующее действие возрастает, что приводит к увеличению времени включения (растягиванию во времени переходной области передаточной характеристики микросхемы (рисунок 6.1)).
Для устранения отмеченных недостатков вместо резистора R4 в схему ТТЛ элемента включен нелинейный четырехполюсник (рисунок 7.3), выполненный на транзисторе VT4.
Это позволяет уменьшить длительность переходной области передаточной характеристики ТТЛ- элемента (рисунок 6.1) и повысить стабильность его параметров.
Рассмотренная схема со сложным инвертором также реализует функцию И-НЕ.
Рисунок 7.3
ТТЛ-схемы в настоящее время достаточно широко применяются в модифицированном ТТЛШ исполнении и содержат транзисторы и диоды Шоттки (рисунок 7.4).
Ниже показан пример двухвходового логического ТТЛШ - элемента И-НЕ (рисунок 7.4), имеющего ряд дополнительных элементов, отсутствующих в рассмотренной выше ТТЛ-схеме (рисунок 7.2).
Рисунок 7.4
Во-первых, для повышения нагрузочной способности вместо транзистора VТ2 (рисунок 7.2) в схему введен составной транзистор (VТ2′, VТ2″). Во-вторых, для защиты элемента от случайно поданных отрицательных входных сигналов в него включены диоды VD1, VD2. В-третьих, схема содержит транзистор VТ5, с помощью которого осуществляется перевод выхода схемы в третье, высокоимпедансное (Z) - состояние (см. 4.15). Положительный потенциал (логическая 1) на базе транзистора VТ5 открывает его, закорачивая тем самым коллектор транзистора VТ1 на землю.
Это приводит к тому, что транзисторы VТ2′, VТ2″ и VТ3 остаются заперты, независимо от состояния входных управляющих сигналов. При этом выход F отключается как от шины питания, так и от земли, т.е. как бы повисает в воздухе. Функциональное обозначение такого логического элемента показано на рисунке 7.5.
Рисунок 7.5
Возможность перевода ТТЛ (ТТЛШ) схем в 3-е состояние позволяет использовать их при работе на одну системную шину, например, в микропроцессорных устройствах. При этом к общей шине подключен целый ряд различных устройств, снабженных выходными цепями с тремя состояниями, причем в каждый момент времени с общей шиной соединено только одно устройство, а выходы остальных находятся в 3-м (Z) - состоянии, т.е. отключены от шины.
7.2 Базовый ЭСЛ - элемент ИЛИ/ИЛИ-НЕ
В этом элементе [3, 11] логические операции выполняются эмиттерно-связанными транзисторами, чем и обусловлено название типа логики. Элемент имеет два выхода, на одном из которых фиксируется результат операции ИЛИ над входными цифровыми сигналами, а на другом - операции ИЛИ-НЕ.
В этой схеме к “земле” присоединена плюсовая шина источника питания, поэтому выходные сигналы имеют отрицательную полярность.
Разработанные на основе схем ЭСЛ ИМС характеризуются высоким быстродействием, высокой нагрузочной способностью, низкой помехоустойчивостью и достаточно большой потребляемой мощностью.
7.3 Базовый КМОП-элемент ИЛИ-НЕ
Логические схемы на комплементарных (дополняющих друг друга) МОП (МДП) - транзисторах содержат последовательно включенные и управляемые одним сигналом МОП-транзисторы с каналами разных типов проводимости (n- и p-типа) (рисунок 7.6).
Рисунок 7.6
Когда один из последовательно включенных транзисторов открывается, другой - закрывается. Поэтому такой каскад практически не потребляет мощности в статическом режиме.
КМОП-элемент (рисунок 7.6) представляет собой делитель напряжения +Епит. Нижнее плечо делителя составляет транзистор VT2, который называется коммутирующим или управляющим. Верхнее плечо образует транзистор VT1, который называется нагрузочным. Если на вход подается высокий уровень напряжения (логическая 1), то открывается транзистор VT2 и закрывается VT1. Большая часть напряжения питания выделяется на нагрузочном транзисторе VT1, а с выхода снимается низкий уровень напряжения (логический 0).
Если на вход поступает низкий уровень сигнала (логический 0), то открывается VT1 и закрывается VT2. С выхода снимается высокий уровень напряжения, а открытый транзистор VT1 выполняет функцию стокового резистора Rс. Рассмотренная схема выполняет функцию инвертора .
Ниже показана схема логического элемента с тремя входами ИЛИ-НЕ на КМОП-транзисторах (рисунок 7.7).
Рисунок 7.7
Если на любой из входов, например, С, подается высокий уровень (логическая 1), то открывается транзистор VT1 и шунтирует параллельно включенные с ним транзисторы VT2 и VT3. Сопротивление нижнего плеча делителя, состоящего из трех параллельно включенных управляющих транзисторов VT1, VT2 и VT3, уменьшается. Одновременно запирается транзистор VT6 и сопротивление верхнего плеча делителя, состоящего из трех последовательно включенных нагрузочных транзисторов VT4, VT5 и VT6 становится весьма значительным. Большая часть напряжения питания +Епит выделяется на нагрузочных транзисторах, а с выхода снимается низкий уровень сигнала (логический 0).
Только когда на всех входах А, В и С присутствует низкий уровень сигнала (логический 0), управляющие транзисторы закрыты, а нагрузочные – открыты. Падение на нагрузочных транзисторах мало и они выполняют функцию стокового (нагрузочного) резистора Rс для параллельно включенных закрытых транзисторов VT1 ... VT3. С выхода снимается высокий уровень напряжения (логическая 1).
Таким образом, рассматриваемый элемент (рисунок 7.7) выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ
.(7.1)
Логические КМОП-элементы имеют ряд существенных достоинств. Во-первых, в статическом состоянии в цепи источника Епит находится запертый транзистор, так что потребляемая элементом мощность весьма мала. Потребление мощности происходит только при переключении элемента. Во-вторых, входное сопротивление полевого транзистора весьма велико, поэтому каждый последующий элемент практически не нагружает предыдущий. В-третьих, при исполнении по интегральной технологии полевой транзистор занимает на подложке (основании микросхемы) меньшую площадь, чем биполярный. Недостатком элемента является меньшее быстродействие, чем у ТТЛШ - и ЭСЛ - элементов.
При перевозке и монтаже КМОП-схем нужно соблюдать определенные меры предосторожности. В частности, монтажник и все монтажные инструменты должны быть заземлены, чтобы исключить возможность пробоя изоляции между затвором и каналом.
8.1 ГТИ на двух инверторах
Существует много различных схем ГТИ (мультивибраторов) на логических элементах (ЛЭ) [6, 12], простейшей из которых является схема на двух элементах И-НЕ (инверторах) (рисунок 8.1).
Рисунок 8.1
Для стабилизации работы в схеме использована местная (охватывающая только одну ИМС) отрицательная обратная связь (ООС) через резистор R.
Необходимая для самовозбуждения генератора положительная обратная связь (ПОС) реализована через конденсатор С.
В процессе работы схемы перезаряд конденсатора С через резистор R (рисунок 8.2).
Рисунок 8.2
На временном интервале Т1 на входе элемента DD1 напряжение U11 > Uпор ≈ 1,3...1,5 В, где Uпор – пороговое напряжение логического элемента (рисунок 6.1). Поэтому на выходе DD1 поддерживается низкий уровень напряжения U021, а на выходе DD2 - высокий уровень U022. Ток перезаряда конденсатора течет от источника питания по цепи: (“+Епит”; R1вых2; С; R; R0вых1; “земля”) и экспоненциально уменьшается с постоянной времени
.(8.1)
При этом напряжение на входе DD1 также экспоненциально падает от начального напряжения , асимптотически стремясь к уровню . В момент, когда напряжение на входе DD1 достигает уровня порога Uпор, инвертор DD1 переходит в усилительный режим (наклонный участок передаточной характеристики логического элемента (рисунок 6.1)). Напряжение U21 возрастает и инвертор DD2 также переходит в усилительный режим. В схеме начинает выполняться условие возникновения скачков: баланс амплитуд и баланс фаз (ПОС), что способствует быстрому (лавинообразному) переключению мультивибратора в другое квазиустойчивое состояние равновесия (U21 = 1, U22 = 0).
На выходе возникает отрицательный скачок напряжения, который через конденсатор С прикладывается ко входу U11, вызывая там тоже скачок напряжения. Т.к. , то на входе появляется небольшое отрицательное напряжение .
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33
