Логические элементы
Логический элемент (логический вентиль) – это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 10.8 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логических элементов.
Рис. 15.8. Логические элементы
Логический элемент может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы. Часто интегральная схема содержит несколько логических элементов.
Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.
Классификация логических элементов. Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):
· резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);
· диодно-транзисторная логика (ДТЛ);
· транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
· эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);
· транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);
· логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа р (р-МДП);
· логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа n (n-МДП);
· логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);
· интегральная инжекционная логика И2Л;
· логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs.
В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем: ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, Км555, 1533, КР1533; ЭСЛ – 100, К500, К1500; КМОП – 564, К561, 1564, КР1554; GaAs – К6500.
Наиболее важные параметры логических элементов:
· Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигнала tзр и максимальной рабочей частотой Fмакс. Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5Uвх и 0,5ΔUвых. Максимальная рабочая частота Fмакс – это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы.
· Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу Коб (иногда используют термин «коэффициент объединения по выходу»). Величина Коб – это число логических входов, величина Краз – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента. Типичные значения их таковы: Коб =2…8, Краз=4…10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью Краз=20…30.
· Помехоустойчивость в статическом режиме характеризуется напряжением Uпст, которое называется статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента.
· Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний.
· Напряжение питания.
· Входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня Uвх.1порог и Uвх.0порог, соответствующие изменению состояния логического элемента.
· Выходные напряжения высокого и низкого уровней Uвых1 и Uвых0.
Используются и другие параметры.
Особенности логических элементов различных логик. Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла – базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.
· Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 15.9).
Рис. 15.9. Базовый элемент ТТЛ
Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмитттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т4, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзистора Т3, т.е. реализуется функция И-НЕ. Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами или транзисторами Шоттки.
· Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент
И-НЕ (рис. 15.10,а), а на рис. 15.10,б показано графическое изображение транзистора Шоттки.
Рис. 15.10. Логический элемент ТТЛШ
Транзистор VT4 – обычный биполярный транзистор. Если оба входных напряжения uвх1 и uвх2 имеют высокий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:
· напряжение питания +5 В;
· выходное напряжение низкого уровня не более 0,4 В;
· выходное напряжение высокого уровня не менее 2,5 В;
· помехоустойчивость – не менее 0,3 В;
· среднее время задержки распространения сигнала 20 нс;
· максимальная рабочая частота 25 МГц.
Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ, схема которого подобна схеме дифференциального усилителя. Микросхема ЭСЛ питается отрицательным напряжением (–4 В для серии К1500). Транзисторы этой микросхемы не входят в режим насыщения, что является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.
В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналами и динамической нагрузкой и на МОП-транзисторах с p-каналом. Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП-логические элементы (КМДП или КМОП-логика).
Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц.
Дата добавления: 2016-11-29; просмотров: 2981;