Мікросхеми логічних елементів

Реферат на тему:

Мікросхеми логічних елементів.

Логічні елементи реалізуються у вигляді мікросхем, що виготовляються на кристалах кремнію за допомогою новітніх високоефективних технологій.

Мікросхеми логічних елементів характеризуються рядом параметрів.

Швидкодія. Швидкодія логічного елемента визначається середньою затримкою сигналу, яка обчислюється як середнє арифметичне затримок увімкнення й вимкнення елемента.

Споживана потужність. Споживана потужність визначається як середня арифметична потужність, що споживається логічним елементом в увімкненому й вимкненому станах. Швидкодія і споживана потужність пов «язані, як правило, прямою пропорційною залежністю: чим більша швидкодія, тим більша споживана потужність, тому для мікросхем логічних елементів часто застосовують таку характеристику, як добуток середньої споживаної потужності на середню затримку сигналів.

Коефіцієнт об «єднання за входами. Коефіцієнт об «єднання за входом — це максимальна кількість входів, яку може мати логічний елемент. Для більшості мікросхем логічних елементів коефіцієнт об «єднання за входами не перевищує восьми.

Коефіцієнт розгалуження за виходами. Коефіцієнт розгалуження за виходами або навантажувальна здатність визначається кількістю входів логічних елементів такого ж типу, які можуть бути приєднаними до виходу даної мікросхеми без порушення її працездатності.

Крім цих параметрів, мікросхеми логічних елементів характеризуються також завадостійкістю, надійністю, ступенем інтеграції тощо.

Транзисторно-транзисторні логічні елементи й пристрої. Транзисторно-транзисторні логічні елементи й пристрої (ТТЛ логіка) побудовані на основі багатоемітерного транзистора, що реалізує елемент І, та транзисторного інвертора (рис. 11.4, о).

Якщо хоча б на один з емітерів транзистора VT1 подати потенціал <0,5 В, то транзистор відкриється і з «єднає базу транзистора VT2 з нульовою шиною живлення. Транзистор VT2 закриється, база транзистора VT3 виявиться під високим потенціалом, що відкриє транзистор VT3, і на виході мікросхеми востановиться напруга високого рівня, що відповідає логічній 1. Таким чином, мікросхема в цілому виконує роль логічного елемента І-НІ і реалізує логічну функцію Шефера.

Щоб збільшити швидкодію ТТЛ — логічних елементів, під час виготовлення мікросхеми додатково створюють р-п переходи, або так звані діоди Шоткі, які запобігають режиму насичення транзисторів і тим самим зменшують час переходу транзистора з активного режиму в режим відсікання. Транзисторно-транзисторні логічні елементи з додатковими діодами Шоткі називають ТТЛШ логічними елементами або ТТЛШ логікою.

Мікросхеми логічних елементів на МДН-транзисторах. У порівнянні з біполярними транзисторами МДН-транзистори, тобто уніполярні транзистори, що виготовлені за структурою метал-діелектрик-напівпровідник, набагато менше споживають енергії, мають великий вхідний опір, тобто забезпечують велику навантажувальну здатність. Логічні елементи будуються на основі базової структури — інвертора, схема якого наведена на рисунку 11.1, б. Транзистор VT1, затвор якого з «єднаний зі стоком, відіграє роль резистора навантаження, а транзистор VT2 — роль ключа. Якщо на затвор транзистора VT2 подати низьку напругу, рівень якої відповідає логічному 0, то транзистор VT2 закривається, і на виході елемента буде висока напруга, рівень якої відповідає логічній 1. Якщо ж на затвор подати високу напругу, то транзистор VT2 відкриється, і вихід елемента з «єднається з нульовою шиною через відкритий транзистор.

На рисунку 11.5, а показано логічний елемент І-НІ, а на рисунку 11.6, а — АБО-НІ, що побудовані на основі базової структури інвертора на МДН-транзисторах.

Мікросхеми логічних елементів на комплементарних МДН-транзисторах. Комплементарними називають пару МДН-транзисторів, один з яких має канал з тг-провідністю, а другий — з р-провідністю. Такі два послідовно з «єднані транзистори (рис. 11.1, в) утворюють інвертор. Якщо на затвори обох транзисторів подати високий потенціал, що відповідає логічній одиниці, то відкриється нижній транзистор VT2, а верхній VT1 — закриється, і вихід елемента через відкритий транзистор VT2 з «єднається з нульовою шиною живлення, тобто матиме рівень логічного 0. Якщо ж подати на затвори низький потенціал, то навпаки, відкриється верхній транзистор, а закриється нижній, і потенціал на виході матиме рівень логічної 1. У будь-якому разі один із комплементарних транзисторів завжди закритий, опір його становить сотні мегом, і струм через транзистори практично завжди дорівнює 0. Мікросхема споживає енергію тільки в момент перемикання, тому мікросхеми на комплементарних МДН-транзисторах (КМДН логічні мікросхеми) характеризуються надзвичайно малою споживаною потужністю. На рисунку 11.5, б, як приклад, наведено логічний елемент І-НІ, а на рисунку 11.6, б — АБО-НІ, що побудовані на основі комплементарних МДН-транзисторів.

Мікросхеми логічних елементів на емітерно-зв «язаних транзисторах (ЕЗЛ—елементи). Базовою структурою таких логічних елементів є диференціальний каскад (рис. 11.7), побудований на транзисторах VT1 і VT2. На базу VT2 подається опорна напруга, яка формується на транзисторі VT3. Емітерні повторювачі напруги на транзисторах VT4 і VT5 (рис. 11.8, а) призначені для узгодження рівнів сигналів.

Особливістю ЕЗЛ-елементів є висока швидкодія, обумовлена тим, що транзистори диференціального каскаду ніколи не переходять у стан насичення. Якщо на вхід пристрою подати низький потенціал (близько —1,7 В), то через транзистор VT2 протікає струм І0, на виході 1 буде потенціал низького рівня, а на виході 2 — високого (близько -0,7 В). Якщо ж на вхід пристрою подати високий потенціал, то транзистор VT2 практично закриється і струм І0 протікатиме через транзистор VTI. Потенціали на виходах зміняться на протилежні.

На рисунку 11.8, а, як приклад, наведено логічний елемент на емітерно-зв «язаних емітерах, який має два входи і два виходи і може використовуватися як логічний двовходовий елемент І (вихід 1) або І-НІ (вихід 2), а на рисунку 11.8, б — умовне графічне зображення.

Мікросхеми логічних елементів на транзисторах з інжекційним живленням (І2Л-елементи). У логічних елементах, виготовлених у вигляді мікросхем за допомогою сучасних інтегральних технологій, широко застосовуються біполярні транзистори з інжекційним живленням. На відміну від звичайного біполярного транзистора транзистор з інжекційним живленням має додатковий електрод — інжектор, який вмикається до джерела струму. Транзистор з інжекційним живленням використовується як ключ при побудові логічних елементів. Якщо базу транзистора з «єднати з емітером, то такий ключ знаходитиметься в розімкнутому стані, якщо ж базу роз «єднати з емітером, то ключ перейде в замкнений стан. Ключ на основі такого транзистора має велику швидкодію і малі розміри. Швидкодія ключа збільшується зі збільшенням струму живлення, але при цьому зростає споживана потужність.