ОРГАНЫ ЛОГИКИ НА ИМС

Для выполнения ЛЭ используются цифровые ИМС, предназначенные для преобразования входных двоичных сигналов высокого и низкого уровней (1 и 0) в дискретные выходные сигналы. По выполняемым функциям цифровые микросхемы можно подразделить на схемы, выполняющие логические операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, И, НЕ, ИЛИ (логические схемы), и на схемы функциональных узлов (триггеры, счетчики, дешифраторы и др.). Эта группа ИМС выполняется в виде различных сочетаний типовых логических схем. На чертежах микросхемы изображаются и обозначаются так же, как и соответствующие им логические элементы (см. рис.2.72).

Как правило, одна микросхема обычно состоит из нескольких однотипных логических схем. При этом каждая схема имеет выведенные из корпуса входы и выходы и два общих для всех схем вывода для подсоединения источника питания (рис.2.78, а). При таком исполнении каждая из
схем, входящих в микросхему, может использоваться как самостоятельный ЛЭ в разных частях логической схемы РЗ.

Свойства логических микросхем характеризуются параметрами, которые приводятся для разных типовых микросхем в справочниках по ИМС. Для устройства РЗ наиболее важными являются следующие параметры:

помехоустойчивость, определяемая значением наибольшего допустимого напряжения U_{ПОМ mах}, поступающего на вход микросхемы, при котором не происходит ее переключения из исходного состояния в состояние срабатывания и наоборот;

мощность, потребляемая от источника питания при действии и недействии микросхемы;

нагрузочная способность микросхемы, характеризуемая числом микросхем, аналогичных рассматриваемой, которые можно подключить к ее выходу;

коэффициент объединения по входу, определяющий наибольшее число входных сигналов, которые можно допустить для данной микросхемы.

Промышленность выпускает цифровые ИМС в виде серий, содержащих по несколько различных по функциям микросхем (до 10 и более). Серии различаются по составу входящих в них микросхем и по их параметрам. Схемы одной серии имеют одинаковое конструктивно-технологическое исполнение и могут соединяться последовательно друг с другом (выход с входом) без согласующих элементов. Каждая серия имеет базовую логическую схему, на основе которой выполняются все микросхемы, входящие в серию.

В логических и функциональных устройствах РЗ, выпускаемых и подготовляемых к выпуску заводом ЧЭАЗ, используются микросхемы в основном серий К511 и К155 на биполярных транзисторах, а также К176 на КМОП. Логические микросхемы первых двух серий выполняются на базовой схеме И-НЕ. Серия МС К176 использует схемы, выполняющие операции И либо ИЛИ.

Все разновидности этих схем имеют общую структуру, приведенную на рис.2.76, в, г. Они состоят из двух основных элементов (схем): одного – выполняющего операцию И, второго – выполняющего операцию НЕ. Последняя всегда реализуется по схеме транзисторного инвертора, выполняющего одновременно функцию усиления выходного сигнала и формирования уровня выходного сигнала. Операция И обычно выполняется на резисторах, диодах или транзисторах.

Исходя из элементов, на базе которых выполняются логические элементы И или НЕ, логические схемы подразделяются на резисторно-транзисторные ИМС, диодно-транзисторные логические устройства (ДТЛ) и транзисторно-транзисторные (ТТЛ).

Диодно-транзисторный ЛЭ И-НЕ. На рис.2.79 показан ЛЭ на микросхеме ДТЛ. Схема состоит из элементов И, НЕ и смещения. Элемент И состоит из трех диодов VD1, VD2, VD3 (по числу входных сигналов) и резистора R1, через который на выход схемы И (в точке m) подается опорное напряжение положительного знака + Е_П от источника питания.

Элемент НЕ выполнен в виде однокаскадного инвертора на транзисторе VT1, на базу которого подается сигнал (напряжение U_Y) с выхода схемы И. Он преобразуется транзистором VT1 в выходной сигнал U_ВЫХ (точка Y) с инвертированием его уровня. В цепь базы VT1 включены два диода, называемые диодами смещения VD1_CM и VD2_CM. Эти диоды увеличивают пороговое напряжение, необходимое для открытия транзистора VT1 и срабатывания ЛЭ микросхемы, повышая этим отстройку элемента микросхемы от помех:

где U_m и U_э.бVT1 – напряжения открытия диода и эмиттерного перехода VT1 соответственно.

Напряжение, необходимое для открытия кремниевых диодов, U_OT.Д = 0,5 ÷ 0,6 В, а для открытия транзистора U_от.VT1 = 0,4 ÷ 0,5 В. Следовательно, U_m = 1,4 ÷ 1,7 В, а при отсутствии диодов U^'_m = 0,5 ÷ 0,6 В.

Допустим, что на всех входах одновременно появились единичные сигналы в виде напряжения высокого уровня Е¹_ВХ ≈ Е_П. Тогда на выходе элемента И (в точке m) возникает напряжение U¹_m > 0. Параметры схемы (R₁, R₃, Е_П) подбираются так, чтобы это напряжение превосходило напряжение (1,2–1,4 В), необходимое для открытия диодов смещения и появления на базе VT1 потенциала U_б = I₁R₃, достаточного для открытия транзистора инвертора для перехода его в режим полного насыщения. При этом на выходе схемы И-НЕ в точке Y установится малое напряжение нулевого уровня U⁰_ВЫХ = 0,2 ÷ 0,4 В. Таким образом, при появлении единичных сигналов на всех входах рассматриваемой схемы на ее выходе появляется сигнал нулевого уровня. Это означает, что микросхема выполняет логическую операцию И-НЕ.

Для возврата схемы в исходное состояние необходимо подать хотя бы на один из диодов (например, на вход 3) сигнал на уровне логического 0, т. е. напряжение U⁰_ВХ3, близкое к нулю. Диод VD3 открывается, и потенциал выхода И (точка т) скачком изменяется от единичного значения до нулевого (от U¹_m до U⁰_m ). При этом диоды смещения закрываются, ток и напряжение базы VT1 падают до нуля – транзистор закрывается.

При закрытом транзисторе потенциал на выходе органа И-НЕ (в точке Y) увеличивается скачком до высокого уровня. Как видно из рис.2.79, при отсутствии нагрузки ,а при наличии нагрузки R_H . Таким образом, при наличии нулевого сигнала на одном, на нескольких или на всех входах ЛЭ И-НЕ переходит в состояние недействия. При негативной логике, когда в качестве сигнала, приводящего в действие логическую схему, принимается нулевой (а не единичный) уровень входного сигнала, рассмотренная схема будет выполнять операцию ИЛИ-НЕ. Достоинством логических схем ДТЛ является относительная простота.

Органы логики И-НЕ на транзисторно-транзисторных ИМС. В микросхемах ТТЛ элемент И, входящий в состав схемы И-НЕ, может выполняться либо на обычных транзисторах ИМС, либо на интегральных транзисторах особой конструкции – многоэмиттерных, которые имеют до восьми эмиттеров, общую базу и один коллектор. База состоит из активных областей (их число равно числу эмиттеров), образующих переходы база-эмиттер и пассивных участков, разделяющих эти переходы для исключения их воздействия друг на друга. Преимуществом многоэмиттерных транзисторов является уменьшение занимаемой ими площади и улучшение некоторых параметров ИМС. В схемах ТТЛ для построения элемента И в основном применяются многоэмиттерные транзисторы. Обычные транзисторы (с одним эмиттером) используются для выполнения операции И в схемах ТТЛ лишь для получения микросхем с повышенной помехоустойчивостью (с высоким порогом переключения). Микросхемы на обычных транзисторах получают питание от источников до 15-20 В вместо 5-6 В, являющихся предельными для многоэмиттерных транзисторов. Чем выше напряжение питания Е_П, тем большим может быть порог переключения, т.е. входное напряжение единичного уровня U¹_ВХ, при котором происходит переключение логического элемента. С увеличением Е_П повышается уровень допустимой помехи. Высокопороговые микросхемы получили широкое применение в РЗ.

Органы логики на высокопороговых микросхемах. На рис.2.80 приведена высокопороговая микросхема с четырьмя входами. Элемент И микросхемы выполнен на транзисторах типа р-n-р, включаемых по схеме эмиттерного повторителя. Число транзисторов равно числу входных сигналов. Входные сигналы X1–Х4 приходят на базу соответствующего транзистора (VT1–VT4). Выходной сигнал возникает между эмиттером транзистора и нулевой шинкой. Эмиттеры соединены между собой в точке т, которая является выходом элемента И. На эту точку через R1 и R2 подается опорное напряжение Е_П = + 15 В. Коллекторы всех транзисторов объединены и подключены к общей шинке нулевого потенциала.

Элемент НЕ выполнен с помощью транзисторного инвертора в виде двухкаскадного усилителя на VT6 и VT7. Инвертирование сигнала, получаемого с элемента И, осуществляется VT6, а дополнительное усиление мощности выходного сигнала VT7, который включается по схеме эмиттерного повторителя. Такое включение позволяет также уменьшить выходное сопротивление схемы И-НЕ. В состав инвертора входят R3-R5 и диод VD3. Кроме элементов И и НЕ в схеме предусмотрены транзистор VT5 и стабилитрон VD2, который устанавливается вместо диодов смещения для повышения порога срабатывания и помехоустойчивости. Для прохождения сигнала, открывающего VT6 и вызывающего срабатывание ЛЭ, входное напряжение должно стать больше обратного напряжения, открывающего VD2. У кремниевого стабилитрона это напряжение U_об.ст = 6,8 ÷ 7 В, что и позволяет повысить уровень допустимых помех.

Транзистор VT5 предназначен для усиления тока, поступающего на базу инвертора VT6, до значения, обеспечивающего его переход в режим полного насыщения, что необходимо для получения на выходе .схемы (на зажиме Y) напряжения U_ВЫХ на уровне логического нуля (0,5-0,6 В).

Для открытия транзистора VT6 на выходе элемента И в точке т не должно появиться напряжение, равное или большее суммы напряжений, необходимых для открытия VT5, VD2 и VT6, т.е. U_m = 0,5 + 7 + 0,5 = 8 В. Это напряжение является порогом чувствительности рассматриваемой микросхемы (U_ПОР = U_m). Входное напряжение, необходимое для срабатывания ЛЭ, U_ВХ.СР должно быть больше порогового напряжения U_ПОР. Нормальное значение U_ВХ, соответствующее уровню логической 1, целесообразно принять равным 10-12 В с некоторым запасом по отношению к значению U_ВХ.СР, учитывая возможность его понижения при колебании напряжения питания. Если единичное напряжение на входе (в рассматриваемом случае на Х₂) станет меньше своего нормального значения (12-13 В), то до тех пор, пока U^'_ВХ остается больше U_ПОР (8 В), VT2 остается закрытым. При уменьшении U_BX ниже U_ПОР (8 В) элемент переключается, транзистор VT2 начинает открываться. По мере уменьшения U⁰_BX (которое при U < 8 В соответствует нулевому уровню) входной ток I⁰_BX возрастает и при U⁰_BX ≈ 0 достигает максимума, VT2 переходит в режим насыщения, при котором I⁰_BX.mах = 0,1 ÷ 0,15 мА.

Действие микросхемы. Если на все входы микросхемы (рис.2.80) поданы единичные сигналы в виде напряжения положительного знака единичного уровня U^'_BX, близкие к Е_П, то эмиттерные переходы транзисторов элемента И VT1-VT4 типа р-n-р смещаются в обратном направлении, при этом все транзисторы схемы И будут заперты. В этом режиме на выходе схемы И в точке m устанавливается напряжение U^I_m положительного знака на уровне 1, поступающее на базу VT5 (рис.2.80).

Сопротивления резисторов R1 и R2 подобраны так, чтобы значение U'_m было больше суммы напряжений, необходимых для открытия транзистора VT5, стабилитрона VD2 и транзистора VT6 элемента НЕ.

Под воздействием U_m транзистор VT5 и стабилитрон VD2 открываются и пропускают напряжение положительного знака на базу VT6. Эмиттерный переход VT6 смещается в прямом направлении (так как U_б > U_Э) и открывается, в транзисторе VT6 появляется ток I, усиленный VT5 до значения, при котором VT6 переходит в режим полного насыщения. Сопротивление насыщенного транзистора очень мало, и поэтому на коллекторе VT6 в точке k появляется напряжение на уровне логического 0, равное 0,5-0,6 В. Это напряжение поступает на базу VT7 и запирает его. Напряжение на выходе микросхемы (в точке Y) складывается из падений напряжения в открытых VT6 и VD3 и равно 0,7-0,9 В.

Следовательно, напряжение U_Y находится на уровне логического 0. При подаче на все входы микросхемы сигнала 1 схема приходит в действие и на ее выходе возникает инвертированный сигнал на уровне 0 – схема выполняет логическую операцию И-НЕ.

Допустим теперь, что на микросхему, находящуюся в состоянии действия (выполнения операции И-НЕ), на один из входов, а значит, и на базу VT2, вместо логической 1 поступил нулевой сигнал (U_BX2 < 0,8 В).

Под действием положительного потенциала, поступающего от источника питания +Е_П по R1 и R2 в точку m, транзистор VT2 открывается, поскольку U_Э > U_б, тогда через переход эмиттер – коллектор открывшегося VT2 на базу VT5 поступает нулевой потенциал от нулевой шинки схемы. Транзистор VT5 закрывается, что влечет за собой закрытие VD2 и VT6. Напряжение коллектора VT6 (точка k) резко возрастает, и, как следствие этого, на базе VT7 появляется напряжение, близкое к Е_П, открывающее транзистор VT7 (так как его U_б > U_Э). Через открытый транзистор VT7 в точке Y на выходе микросхемы ЛЭ появляется напряжение единичного уровня U_Y = U¹_BЫX.

При отсутствии нагрузки U¹_BЫX ≈ Е_П. При наличии нагрузки, вследствие падения напряжения в R5, U¹_BЫX, уменьшается в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов R5 и R4. Следовательно, при появлении на входе микросхемы сигнала нулевого уровня на ее выходе появляется сигнал на уровне 1.

Рассмотренная схема может использоваться в качестве реализующей при единичных входных сигналах логическую операцию И—НЕ и возвращающейся в исходное состояние при появлении нулевого сигнала хотя бы на одном из входов. Эта же схема может служить для реализации операции ИЛИ-НЕ, если принять в качестве входного сигнала, выполняющего логическую операцию, сигнал нулевого уровня на одном входе микросхемы, а для возврата в исходное состояние использовать подачу на все входы сигналов на уровне логической 1.

Отечественная промышленность выпускает логические микросхемы И-НЕ серии К511, базовой схемой которой является схема, приведенная на рис.2.81.

Модифицированные схемы отличаются от базовой выполнением выходной части схемы – ее элемента НЕ. Вариант подобной схемы с пассивным выходом показан на рис.2.81, где изображены только элемент НЕ и связанная с ним схема смещения, поскольку остальная часть – схема элемента И – не изменяется.

Действие схемы совпадает с базовой схемой с тем лишь отличием, что при подаче на все входы U¹_BX на выходе (точка Y) появляется нулевой сигнал U⁰_BЫX = U_{эк VT6}, меньший, чем в базовой схеме, на значение падения напряжения в диоде VD3.

При U⁰_BX выходное напряжение U¹_BЫX будет немного больше за счет отсутствия VT7.