ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЭСЛ

7.1 Общие сведения

Микросхемы на основе эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) нашли широкое применение в быстродействующих вычислительных устройствах благодаря таким преимуществам перед другими микросхемами, как высокое быстродействие, большая нагрузочная способность, высокая стабильность динамических параметров при изменении питающих напряжений и температуры, независимость тока потребления от частоты переключения. Микросхемы ЭСЛ-типа являются самыми быстродействующими схемами на основе кремния, выпускаемыми отечественной промышленностью. Высокое быстродействие обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в ненасыщенном режиме. Уменьшение времени задержки распространения достигается также в результате малого перепада выходного напряжения, хотя это влечет снижение помехоустойчивости. К этому типу относятся микросхемы серий 100, К100 (в корпусах с планарными выводами), 500, К500 (в корпусах типа DIP) и 1500, К1500. Наибольшим быстродействием среди ЭСЛ ИС обладают ИС К1500 (аналог F100K фирмы Fairchild, США). Схемотехника, конструкция, технология изготовления существенно отличаются от ИС К500. При создании новой серии субнаносекундного быстродействия были применены более совершенные схемотехнические решения, которые обеспечили улучшение основных электрических параметров микросхем.

7.2 Базовый логический элемент ИС К1500

При создании новой серии субнаносекундного быстродействия были применены оригинальные схемотехнические решения, которые обеспечили улучшение основных электрических параметров микросхем. Электрическая принципиальная схема базового ЛЭ ИЛИ-НЕ/ИЛИ ИС К1500 (рисунок 7.1) состоит из токового переключателя тока (1), источника опорного напряжения (2) и выходных эмиттерных повторителей (3). Токовый переключатель построен на транзисторах VT1¸VT3 и резисторах R1¸R6 и представляет собой дифференциальный усилитель, работающий в режиме ключа. Токовый переключатель предназначен для усиления входных сигналов, формирования парафазных выходных сигналов и обеспечения требуемой помехоустойчивости схемы. Выходные эмиттерные повторители, выполненные на транзисторах VT4, VT5 с открытым эмиттером, служат для усиления по току выходного сигнала и для обеспечения совместимости ЭСЛ ИС по входу и выходу. Базовый ЛЭ работает следующим образом. При подаче на входы схемы напряжения низкого уровня (– 1,7 В) входные транзисторы VT1, VT2 закрыты, транзистор VT3 открыт, так как напряжение на его базе выше, чем на базах входных транзисторов. Электрический ток, протекающий через стабилизатор тока VT6 и открытый транзистор VT3, создает падение напряжения на резисторе R2.

Стабилизирующий ток I_К6 ( I₀) выбирается таким образом, чтобы с учетом тока из базы транзистора VT4 падение напряжения на резисторе R2 было порядка – 0,95 В. Транзисторы VT4 и VT5 всегда открыты, если в цепи эмиттера включено нагрузочное сопротивление R_н между эмиттером и напряжением смещения (Е_см = – 2 В) или напряжением питания U_п, так как работают постоянно в активном режиме. Падение напряжения на эмиттерных переходах этих транзисторов составляет порядка 0,8 В. При подаче хотя бы на один вход ЭСЛ ЛЭ напряжения высокого уровня – 0,95 В входной транзистор открывается и весь ток токового переключателя протекает через R1, открытый входной транзистор VT6.

а − ИС К1500; б − функциональное обозначение

Рисунок 7.1 – Электрическая схема базового ЛЭ ИЛИ/ИЛИ-НЕ

В эмиттерном узле 1 устанавливается напряжение порядка – 1,75 В, которое закрывает транзистор VT3. Состояние выходов схемы изменится: на прямом выходе (ИЛИ) формируется напряжение низкого уровня – 0,95 В, а на инверсном выходе (ИЛИ-НЕ) – напряжение высокого уровня – 1,7 В. Микросхема может работать в отрицательной и положительной логике. В положительной логике осуществляются функции ИЛИ/ИЛИ-НЕ. В отрицательной логике ЛЭ ЭСЛ выполняет функцию И-НЕ на инвертирующем выходе. Особенностью схемотехнического решения ЭСЛ ЛЭ является применение раздельного подключения шины земли к цепям токового переключателя и источника опорного напряжения, с одной стороны, и к цепи эмиттерного повторителя – с другой (Общ. 1 и 2). Следует учитывать при применении ЭСЛ ИС, что в этих цепях наблюдается различный характер потребления электрического тока из шины электропитания в момент переключения элемента. В общей шине «1» ток практически постоянный, в общей шине «2» – импульсный. Значение тока тем больше, чем ниже сопротивление нагрузки на выходе ЛЭ. С целью стабилизации параметров и характеристик по температуре и напряжению питания электрические схемы токового переключателя и источника опорных напряжений претерпели существенные изменения по сравнению со схемами серии К500. В цепи эмиттерного токового переключателя включен генератор тока, выполненный на транзисторе VT6 и резисторе R4. При повышении температуры ток генератора увеличивается, при изменении напряжения питания ток генератора остается постоянным. Температурная стабилизация параметров достигается включением термостабилизирующей цепочки, состоящей из диодов VD1, VD2 и резистора R3. Существенно изменился по сравнению с ИС К1500 источник опорного напряжения (рисунок 7.2), что в значительной степени определило стабилизацию параметров и характеристик ИС. Источник опорного напряжения полностью обеспечивает стаблизацию схемы по питанию. Эту функцию выполняет цепь из транзистора VT5 и резистора R4. Отклонения напряжения питания от номинального значения полностью повторяются на резисторе R4 и через транзистор VT2 на выходе U₀₂. Разность U_СС1 – U₀₂ сохраняется постоянной. Это обеспечивает формирование стабильного тока в генераторе тока даже при изменении напряжения питания. При изменении напряжения питания U_СС1 из-за постоянного тока I₀ и постоянного опорного напряжения U₀₁ источника опорного напряжения остаются стабильными уровни выходного сигнала, напряжение логического перепада и помехоустойчивость схемы.

Для обеспечения стабилизации схемы по температуре необходимо постоянство напряжений U₀₁ и U₀₂ во всем диапазоне рабочих температур. Для стабилизации по электропитанию напряжение U₀₁ не должно изменяться при изменении U_оп, а напряжение U₀₂ должно полностью воспроизводить изменения напряжения источника питания U_СС1. Тогда напряжение на генераторе тока остается постоянным и постоянным остается ток I₀. Стабильность напряжений U₀₁ и U₀₂ при изменении температуры обеспечивается разностью площадей эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT6 (рисунок 7.2). При задании тока I₁ через транзистор VT1, через транзистор VT6 протекает ток I₂, который будет больше тока I₁ во столько раз, во сколько площадь эмиттерного перехода транзистора VT6 больше площади эмиттерного перехода транзистора VT1. На значение тока I₂ влияет сопротивление R5. Сопротивления резисторов R2 - R5 выбираются так, чтобы обеспечить необходимые значения напряжений: U₀₁ = – 1,32 В и U₀₂ = – 3,2 В. С повышением температуры растет ток I₁, одновременно увеличивается значение тока I₂. Рост тока I₂ вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R3, которое компенсирует уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3 с повышением температуры. Напряжение U₀₁ остается постоянным, несмотря на изменение рабочей температуры. На эмиттере транзистора VT4 напряжение так же остается постоянным в диапазоне рабочих температур и через общие базы транзисторов VT4 и VT2 оно формирует стабильное напряжение U₀₂, которое в значительной мере определяет стабильность динамических параметров схем.

Рисунок 7.2 – Электрическая схема источника опорных

напряжений

На рисунке 7.3 приведена типовая передаточная характеристика логического элемента ЭСЛ по прямому и инверсному выходам. На основании этой характеристики определяются все остальные схемы: входные и выходные пороговые напряжения, выходные напряжения лог. 0 и лог. 1, логические перепады напряжения, напряжения статической помехоустойчивости и др.

Рисунок 7.3 – Передаточная характеристика основного

логического элемента

7.3 Особенности применения ЭСЛ

Микросхемы ЭСЛ имеют отрицательное напряжение питания ±4,5 B ±5%, причем коллекторные цепи подключены к шинам земли. Следовательно, выходные напряжения имеют отрицательные уровни. Выходные сигналы снимаются со свободных выходов эмиттерных повторителей (открытый эмиттер). При подключении нагрузок эмиттеры выходных транзисторов должны быть подключены через резисторы к источнику отрицательного напряжения, например, к источнику питания U_п – 5 В или источнику напряжения смещения U_см = – 2 В. Все входы базового элемента подключаются к источнику питания через резисторы, это позволяет неиспользованные входы оставлять не присоединенными.

Микросхемы ЭСЛ-типа допускают объединение по прямым и инверсным выходам в «монтажное ИЛИ» или в «монтажное И» с коэффициентом объединения К_ОБ £ 4, а также объединения прямого выхода с инверсным (рисунок 7.4).При объединении прямых выходов (рисунок 7.4, а) реализуется монтажное ИЛИ:

Если монтажно объединить инверсные выходы (рисунок 7.4, б), то получим монтажное И:

Третий вариант объединения (рисунок 7.4, в) – это монтажное объединение прямых и инверсных выходов

Рекомендуется объединения схем по выходам производить в пределах одной платы и желательно для микросхем, расположенных рядом. Выход с платы следует задействовать от схемы, не имеющей объединений по выходу в пределах платы. Особое требование при конструировании аппаратуры на ЭСЛ ИС – передача сигналов по согласованным линиям связи.

Рисунок 7.4 – Схема объединения ИС ЭСЛ по выходам

Из-за крутых фронтов ИС 1500 (К1500) более чувствительны к неоднородностям в линии передач. Поэтому при правильном применении ИС 1500 в линиях связи должно быть постоянное волновое сопротивление (500 Ом). При эксплуатации ИС 1500 (К1500) выделяют значительное количество тепла из-за большой рассеиваемой мощности микросхем, поэтому необходимо обеспечить эффективный теплоотвод, чтобы температура корпуса не превышала С. При конструировании аппаратуры на основе ИС 1500 (К1500) необходимо уделять внимание вопросам компоновки схем, согласования линий связи, выбора согласующих резисторов, соединителей, вопросам фильтрации и «развязки» цепей питания. Интегральные серии 1500 (К1500) обладают функциональной полнотой. Они имеют в своем составе логические элементы, универсальные дешифраторы, мультиплексоры, схемы контроля четкости, сумматоры-вычислители, АЛУ, триггеры, счетчики, регистры, приемопередатчики, преобразователи уровней, ОЗУ на 1 – 16 Кбит и пр.

ИС 1500 (К1500) является основной элементной базой быстродействующих ЭВМ и других технических средств.