ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Цифровые логические элементы
Классификация основные параметры. Цифровые логические элементы
на интегральных микросхемах (ИМС) — это микроэлектронике изделия,
предназначенные для преобразования и обработки дискретных сигналов. В
зависимости от вида управляющих сигналов цифровые ИМС можно
разделить на три группы:
потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные.
Подавляющее большинство логических элементов относится к
потенциальным, в них используются только потенциальные сигналы и
совсем не используются импульсные сигналы.
В импульсных цифровых ИМС используются только импульсные
сигналы и совсем не используются потенциальные. В таких ИМС управление
осуществляется по перепаду потенциала во время импульса. При этом могут
использоваться как положительные перепады, обозначаемые (стрелка вверх),
так и отрицательные, обозначаемые (стрелка вниз).
В импульсно-потенциальных ИМС могут использоваться, как
потенциальные, так и импульсные сигналы. При этом импульсные входы,
управляемые перепадом напряжения, обозначают косой чертой,
указывающей направление перепада напряжения (/ или \).
Все логические элементы описываются набором параметров, которые
оговорены в технических условиях (ТУ). Использование параметров, не
записанных в ТУ, не разрешается, так как в процессе совершенствования
изделия они могут изменяться. К основным параметрам логических
элементов относятся:
 набор логических функций;
 число входов по И и по ИЛИ;
 коэффициент разветвления по выходу;
 потребляемая мощность;
 динамические параметры: задержка распространения сигнала и (или)
максимальная частота входного сигнала.
В табл.1 приведены основные логические функции, обозначения
соответствующих элементов и их схемы.
Число входов по И и по ИЛИ лежит в пределах от 2 до 16. Если
имеющегося числа входов недостаточно, то для их увеличения используются
интегральные схемы расширителей по ИЛИ, обозначаемые ЛД.
Коэффициент разветвления по выходу характеризует нагрузочную
способность логического элемента и определяется количеством входов
однотипных элементов, которые можно подключить к выходу. В некоторых
случаях в ТУ указывается максимальный выходной ток логического
элемента.
Сигнал на выходе логического элемента задерживается относительно
входного сигнала. Эта задержка определяет не только быстродействие
цифровых схем, но и их работоспособность. Время задержки принято
определять по уровню 0,5Uвх и 0,5Uвых как показано на рис.1. При этом
задержка переднего фронта импульсного сигнала может отличаться от
задержки заднего фронта и в результате длительность импульса на входе
оказывается отличной от длительности импульса на выходе.
Таблица 1
Основные логические функции
Элемент
Обозначение
Выполняемая функция и схема
Исключающее ИЛИ
Мощность, потребляемая логической ИМС, обычно зависит от сигналов,
поданных на входы. Для сравнения потребляемой ИМС мощности
пользуются понятием средней мощности Pср, потребляемой базовым
логическим элементом во включенном и выключенном состояниях. Это
позволяет сравнивать по потребляемой мощности логические ИМС
различных серий.
Рис.1. Сигналы на входе и выходе логического элемента НЕ
Серийные логические ИМС. В зависимости от технологии изготовления
логические ИМС делятся на серии, отличающиеся набором элементов,
напряжением питания, потребляемой мощностью, динамическим параметрам
и др. Наибольшее применение получили серии логических ИМС,
выполненные по ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ
(эмиттерно-связанная логика) и КМОП (комплементарная МОП логика)
технологиям. Каждая из перечисленных технологий совершенствовалась,
поэтому в каждой серии ИМС имеются подсерии, отличающиеся по
параметрам.
В ИМС, выполненных по технологии ТТЛ, в качестве базового элемента
используется многоэмиттерный транзистор. Упрощенная схема логического
элемента И-НЕ с многоэмитгерным транзистором VT1 приведена на рис.2.
Многоэмитгерный транзистор (МЭТ) отличается от обычного транзистора
тем, что он имеет несколько эмиттеров, расположенных так, что прямое
взаимодействие между ними исключается. Благодаря этому переходы базаэмиттеры МЭТ можно рассматривать как параллельно включенные диоды.
Рис.2. Упрощенная схема логического элемента 2И-НЕ (ТТЛ)
Второй транзистор VT2 является инвертором сигнала, выполняющим
функцию НЕ. Если хотя бы на один эмиттер МЭТ подан низкий уровень, то
ток базы VT2 равен нулю и на коллекторе VT2 будет высокий уровень. Для
того чтобы напряжение на коллекторе VT2 имело низкий уровень,
необходимо на все эмиттеры МЭТ подать высокий уровень. Благодаря этому
алгоритму реализуется функция И-НЕ. В более поздних сериях ИМС,
выполненных по технологии ТТЛ, использовался сложный инвертор с
двуполярным ключом, а для исключения насыщения МЭТ применялись
диоды Шотки с малым падением напряжения в прямом направлении
(ТТЛШ).Первым разработчиком ИМС по технологии ТТЛ является фирма
Texas Instruments, которая выпустила ИМС серии SN74. Дальнейшие
усовершенствования этой серии были направлены на повышение
быстродействия и снижение потребляемой мощности. В табл.2 приведены
серии отечественных микросхем и их соответствующие различным сериям
микросхем SN74/54.
Основные параметры ИМС ТТЛ различных серий приведены в табл.3, По
сочетанию параметров наибольшее распространение получили ИМС серии
SN74LS (аналог 555). ИМС этой серии работают при напряжении литания
+5В5%.
В ИМС, выполненных по технологии ЭСЛ, в качестве базового элемента
используется дифференциальный усилитель. Упрощенная схема логического
Таблица 2
Серии логических ИМС ТТЛ
Серия
Аналог
Серия
Аналог
SN74
155
SN54
133
SN74L
158
SN54L
136
SN74H
131
SN54H
130
SN74LS
555
SN54LS
533
SH74S
531
SN54S
530
SN74ALS
КР1533
SN54LS
1533
SN74F
КР1531
SN54F
1531
Обозначения: L (low)— маломощная серия, Н (high) —
быстродействующая серия, LS (low, Shottky) — маломощная с диодами
Шотки, S (Shottky) — с диодами Шотки, ALS — усовершенствованная с
диодами Шотки, F (fast) — сверхбыстродействующая
Таблица 3
Основные параметры ИМС ТТЛ
Серия ИМС Потребляемая Задержка, нс Максимальная Коэффициент
мощность, Вт
частота, МГц развсплення
74
10
74L
1
74Н
22
74LS
2
74S
19
74ALS
1
74F
4
Упрощенная схема логического
усилителем приведена на рис.3.
10,0
35
10
33,0
3
10
6,0
50
10
9,5
45
20
3,0
125
10
4,0
50
40
2,0
130
33
элемента ИЛИ-НЕ с дифференциальным
Большое быстродействие ИМС ЭСЛ
обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в
ненасыщенном (линейном) режиме. На выходе элемента применяется
эмиттерный повторитель, который обеспечивает быстрый заряд емкости
нагрузки.
На рис.3 дифференциальный усилитель выполнен на транзисторах VT1...
VT3, а эмиттерный повторитель на транзисторе VТ4. Выходной сигнал
можно снимать с инверсного выхода ДУ, как приведено на рис.3, что
обеспечивает операцию НЕ, так и с неинверсного выхода (с коллектора VT3),
что обеспечивает выполнение операции ИЛИ без инверсии.
Повышение быстродействия в этих элементах достигается также
ограничением перепада выходного напряжения, что связано с уменьшением
помехоустойчивости ИМС ЭСЛ. Для ограничения перепада выходного
напряжения используются источники опорного напряжения Еоп и смещения
Есм. Все входы дифференциального усилителя подключены через резисторы
Rб к источнику питания, что позволяет неиспользуемые входы ИМС
оставлять неподключенными.
Рис.3. Упрощенная стема логического элемента 2ИЛИ-НЕ (ЭСЛ)
Таблица 4
Серая и основные параметры ИМС ЭСЛ
Серия ИМС
Аналог
Потребляемая Задержка
Коэффициент Напряжение
мощность, распростране разветвления питанпя, В
мВт
ния, нс
МС10000
(МС10К)
100, 500
35
2,90
15
-5,2
МС 100000
(МС10К)
1500
40
0,75
20
-4,5
Первым разработчиком ИМС по технологии ЭСЛ была фирма Motorola,
которая выпустила серию ИМС МС 10000 (МС10К). В процессе
усовершенствования этих ИМС была выпущена МС100000 (МС100К).
Основное параметры ИМС ЭСЛ и их отечественные аналоги приведены в
табл.4. Микросхемы серий 500 и 1500 имеют несколько отличающиеся
напряжения питания (5,2В и -4,5 B), однако по уровням входных и выходных
логических сигналов они совместимы. Напряжение логического нуля равно 1,8В, а напряжение логической единицы равно-0,9 В.
В ИМС, выполненных по технологии КМОП, в качестве базового
элемента используются ключевые схемы; построенные на комплементарных
МОП-транзисторах. На рис.4 приведена схема логического элемента И-НЕ,
изготовленного по технологии КМОП. Эта схема состоит из двух групп
ключей на полевых транзисторах П, 73 и 72, Г4. Каждая группа управляется
одним сигналом Х1 или X2.
При подаче сигналов Х1=Х2=«1» ключи на транзисторах 71 и 72
размыкаются, а ключи на транзисторах 13 и Т4 замыкаются. В результате
сигнал на выходе Y  X 1 X 2 .
Рис.4. Упрощенная схема логического элемента 2И.НЕ (КМОП)
Применение полевых транзисторов с изолированным затвором
обеспечивает высокое входное сопротивление микросхем КМОП. Благодаря
малой входной емкости и высокому сопротивлению микросхемы КМОП
чувствительны к статическому электричеству. Пробой изоляции под
затвором происходит при напряжении около ЗОВ; в результате чего
транзистор повреждается. Защита входов ИМС КМОП осуществляется с
помощью встроенных диодов или стабилитронов, подключенных к линиям
питания ИМС.
Таблица 5
Серия логических ИМС КМОП
Серия ИМС
Аналог
Фирма-разработчик Напряжение питания, В
CD4000
164,176
RCA
9
CD4000A
561, 564
RCA
3...15
МСМОООА
то же
Motorola
то же
CD4000B
КР1561
RCA
3...18
54НС
1564
2..,6
Достоинствами ИМС КМОП являются малая потребляемая мощность и
высокая помехозащищенность в сочетании с высоким быстродействием и
нагрузочной способностью. Питание таких ИМС производится от источника
напряжения +5...+15В.
Разработка первых ИМС КМОП серии CD4000 была выполнена фирмой
RCA в 1968 г. Позднее эта фирма выпустила еще две серии
усовершенствованных ИМС CD4000A и CD4000B. Основные серии ИМС
КМОП, их отечественные аналоги и фирмы-разработчики приведены в
табл.5. По сравнению с ИМС ТТЛ микросхемы КМОП имеют следующие
достоинства:
 малая потребляемая мощность в диапазоне частот до 2 МГц (мощность в
статическом режиме не превышает 1 мкВт);
 большой диапазоне напряжений питания (от 3 до 15 В);
 очень высокое входное сопротивление (больше 1 МОм);
 большая нагрузочная способность (коэффициент разветвления больше 50).
К недостаткам ИМС КМОП относятся:
 большие времена задержки (до 100 нс);
 повышенное выходное сопротивление (до 1 кОм);
 значительный разброс всех параметров.
Уровни выходных сигналов зависят от напряжения питания. Уровень
логической «1» равен примерно равен ЕПИТ, а уровень логического «0» — от
0,3 до 2,5В. Основные характеристики различных серий ИМС КМОП
приведены в табл.6.
Таблица 6
Основные параметры ИМС КМОП
Серия ИМС
Потребляемая
Задержка
мощность, мВт распространения, нс
Максимальная
частота, МГц
Коэффициент
разветвления
CD4000
30
200
5
50
CD4000A
50
100
5
50
CD4000B
100
30
10
100
54НС
100
10
50
50
Совершенствование технологии ИМС КМОП привело в настоящее время
к тому, что характеристики наиболее быстродействующих ИМС КМОП
серии 54НС практически сравнялись с характеристиками ИМС ТТЛ серии
SN74LS.