Раздел: Документация
0 ... 40 41 42 43 44 45 46 ... 119 Глава 5 Логические элементы и триггеры 5.1. Интегральные схемы ТТЛ серий В зависимости от технологии изготовления интегральные схемы (ИС) подразделяются на серии, различающиеся физическими параметрами базовых логических элементов (ЛЭ), а также числом и функциональным назначением входящих в их состав микросхем. В настоящее время разработано несколько десятков технологий изготовления ИС. Наиболее широкое применение находят ИС, изготовляемые по ТТЛ-, КМОП-, ЭСЛ- и n-МОП-технологиям, причем каждая из этих технологий имеет несколько разновидностей. Технологии изготовления ИС непрерывно совершенствуются с целью увеличения их быстродействия и нагрузочной способности, уменьшения потребляемой мощности и увеличения степени интеграции - количества компонентов, размещаемых на кристалле заданной площади. Схемотехника базовых логических элементов. Первая серия ИС была изготовлена на транзисторных схемах с непосредственной связью. Далее были разработаны серии ИС на основе резистивно-транзисторной и диодно-транзисторной технологий. Эти серии ИС не получили широкого распространения, Поскольку вскоре (1963 г.) была освоена более совершенная технология изготовления ИС - транзисторно-транзисторная логика (Standard TTL). Отличительной особенностью данной технологии является использование на входах ИС многоэмиттерных транзисторов. На рис. 5.1,о показан базовый ЛЭ SN7400 серии SN74 фирмы Texas Instruments Inc. (TI), выполненный по этой техноло-гии и представляющий собой ЛЭ И-НЕ (базовым считается тот ЛЭ naiMUPTi.4 vrvmrmm «йвппрр пплип у»™«трл,.„™ ~ 5---г--~ ♦ г- -1 ----. .,г> ~----------г - « « ->jЧ"" неские свойства большинства ИС данной серии). Интегральная  Рис. 5.1 схема 5ЛГ7400 содержит 4 двухвходовых ЛЭ И-НЕ, реализующих функцию у = х2Х\. Многоэмиттерный транзистор VTM выполняет функцию И, а транзистор VTI - функцию НЕ. Выходной каскад, выполненный на транзисторах VT2 и VT3, позволяет получить большие значения как втекающего Iol, так и вытекающего 1он токов. Диод в эмиттерной цепи транзистора VT2 обеспечивает его надежное закрывание при открытом транзисторе VT3. Если транзистор VT3 закрыт, то открыт транзистор VT2, представляя собой эмиттерный повторитель. Выход с описанным соединением двух транзисторов называется каскадным (totem-pole) или стандартным выходом. Диоды, включенные между входными и общим выводами, обеспечивают защиту ЛЭ при подаче на его входы отрицательного напряжения. К основным статическим (электрическим) параметрам ЛЭ относятся уровни входных и выходных напряжений и значения входных и выходных токов: Уш (High-level Input Voltage) - входное напряжение высокого уровня (логической единицы), Vjl (Low-level Input Voltage) - входное напряжение низкого уровня (логического нуля), f< Voh (High-level Output Voltage) - выходное напряжение вы-. сокого уровня (логической единицы), - Vol (Low-level Output Voltage) - выходное напряжение низкого уровня (логического нуля), # (High-level Input Current) - входной ток при подаче на вход высокого уровня напряжения, > IlL (Low-level Input Current) - входной ток при подаче на вход низкого уровня напряжения, 1он (High-level Output Current) - выходной ток при высоком уровне выходного сигнала (вытекающий ток - Sink Current), Iol (Low-level Output Current) - выходной ток при низком уровне выходного сигнала (втекающий ток - Source Current). В качестве стандартных приняты значения этих параметров: Vw > 2,0 В, Vil < 0,8 В, Voh > 2,4 В, VOL < 0,4 В, ..-•"• Я <40мкАпри ViH >2,0 В, \IIL\ < 1,6 мА при V/L<0,8 В, Voh\ > 0,4мА при Уон>2,4 В, Iol > 16 мА при Vol < 0,4 В. Токи 1он и Iol, Iih и 1ц, протекают в противоположных направлениях, поэтому токам 1он « IlL присваивается знак минус. Однако, часто под этими обозначениями будем понимать их модули. Отношения п£ = Iol/Iil и пд = Ioh/Iih характеризуют нагрузочную способность ЛЭ для низких и высоких уровней сигналов. Параметр п = min{njr,, п#} определяет максимальное число входов базовых ЛЭ, которое допустимо подключать к выходу аналогичного ЛЭ. Для базового ЛЭ серии SN1A нагрузочная способность п = ni = пн = 10. Максимальное значение вытекающего тока \1он\ = 0,4 мА значительно меньше максимального значения втекающего тока Iol = 16 мА. Такое различие токов связано с тем, что выходное напряжение Voh уменьшается с увеличением тока 1он из-за падения напряжения на коллекторной нагрузке транзистора VT2 (130 Ом) и диоде, включенном в цепь его эмиттера. Резистор 130 Ом предотвращает выход из строя транзистора VT2 при коротком замыкании выхода на корпус. Указанные выше значения выходных токов ЛЭ обеспечивают быстрый заряд и разряд емкости нагрузки Cl (L - Load), чем достигается высокая крутизна фронтов выходного сигнала. Помехоустойчивость ЛЭ определяется значениями величин Д VH = Voh min - VIHmin = 2,4 - 2,0 = 0,4 В, AVf, = V/Lmax-VOLmax = 0,8-0,4 = 0,4B. Помехи с уровнем напряжения менее 0,4 В не могут при- вести к изменению состояния ЛЭ. Переход ЛЭ в усилительный (активный) режим характеризуется значением порогового уровня переключения Vth (ТН - Threshold Voltage - пороговое напряжение). Величина порогового уровня Vth - 1,2 В для стандартной серии SN74. Типовое значение помехоустойчивости определяется значениями величин bV„typ = VoHtyP -VTH = 3,4 - 1,2 = 2,2 В, AVLtyp = Vth - Voltyp = 1,2 - 0,2 - 1,0 B, где VoHtyp = 3,4 В и VoLtyp = 0,2 В - типовые значения выходных напряжений ЛЭ серии SN74 (без перегрузки). Динамические параметры ЛЭ характеризуются временами задержки tpHL при переходе выходного сигнала с высокого уровня на низкий (Propagation delay time/high-to-low-level output), tpiH - при переходе выходного сигнала с низкого уровня на высокий (Propagation delay time/low-to-high-level output) или средним временем задержки сигналов в ЛЭ (Propagation delay time) tpd = (tPHL + tpLH)/2- Задержки tpHL и tphH показаны на рис. 5.2 (X = x2x\ - эквивалентный входной сигнал ЛЭ, учитывающий взаимодействие физических входных сигналов х2 и х\ на рис. 5.1,о; у - выходной сигнал ЛЭ).  Рис. 5.2Рис. 5.3 Основным параметром, определяющим качество технологии изготовления ИС, является величина работы переключения стандартного ЛЭ (вентиля) - произведение среднего времени задержки сигналов в вентиле tpd на мощность Р (Power) потребления вентиля. Для стандартной серии SN 74 значения tpd = 10 не, Р = 10 мВт и tp<iP = 100 пДж. Указанное значение tpd позволяет использовать триггеры данной серии при частоте переключения Fmax = 35 МГц. В дополнение к стандартной серии SN74 фирмой TI в 1967 г. были разработаны ТТЛ-серии SN74L (L - Low Power - маломощная; рис. 5.1,6) и SN74H (Н - High Speed - быстродействующая; рис. 5.1,в), имеющие значения tpdP = 33 пДж при tpd - 33 не и tpdP - 132 пДж при tpd = 6 не. Изменение параметров ЛЭ произведено в основном за счет использования других величин сопротивлений резисторов, влияющих на значения входных и выходных токов. Для сходных технологий быстродействие ИС жестко связано с потребляемой мощностью, Т.е. повышение быстродействия достигается за счет увеличения потребляемой мощности. Серия SN74L предназначена для применения в низкочастотных узлах цифровых устройств (ниже 3 МГц), серия SN74H - в высокочастотных узлах (до 50 :МТц), а серия SN74 - в средиечастотных узлах (до 35 МГц). Оптимальное использование ИС серий SN74, SN74L и SN74H дозволяет значительно снизить мощность потребления серийно выпускаемых радиоэлектронных устройств. Дальнейшие усилия фирмы TI, направленные на совершенствование TTL-технологий изготовления ИС, привели к созданию серий SN74S (1969 г.; рис. 5.1,г), SN74LS (1971 г.), SN74ALS (1980 г.) и SN74AS (1982 г.). Кроме того, фирма Fairchild Instrument & Camera Corp. разработала в 1979 г. серию 74F. В обозначениях этих серий ИС использованы сокращения: S - Schottky, LS - Low power Schottky, ALS - Advanced Low power Schottky (Advanced - усовершенствованная), AS - Advanced Schottky, F - Fairchilds Advanced Schottky TTL (FAST). Все перечисленные серии ИС основаны на использовании диодов Шотки (рис. 5.3,а), предотвращающих режим глубокого насыщения транзисторов, что значительно увеличивает их скорость переключения. На рис. 5.3,6 показано условное графическое обозначение транзистора с диодом Шотки, называемого транзистором Шотки. Прямое пороговое напряжение диодов Шотки равно 0,3...0,4 В, поэтому их использование не оказывает существенного влияния на уровень Vol выходного сигнала. Основной целью совершенствования технологий является улучшение параметров ИС - уменьшение задержек сигналов, входных токов и мощности потребления. Перечисленные выше серии ИС помимо фирмы-разработчика выпускаются многими фирмами-изготовителями во всем мире. Префикс SN в обозначении ИС указывает, что она изготовлена фирмой TI. Другие фирмы-изготовители используют иные префиксы для идентичных ИС, поэтому префикс SN в названиях ИС часто будем опускать. Одна и та же фирма использует разные префиксы Для ИС, принадлежащих к различным классам электронных Устройств (цифровые, линейные, микропроцессорные и др). Например, префикс TMS означает БИС для проектирования микропроцессорных систем фирмы TI. 0 ... 40 41 42 43 44 45 46 ... 119
|
