2.2. Элементная база для практической реализации цифровых устройств

Для практической реализации цифровых автоматов обычно используются необходимые элементы или целые устройства, входящие в серии цифровых интегральных схем (ЦИС). Основой той или иной серии является базовый логический элемент. На первом этапе развития элементной базы цифровых устройств были разработаны многочисленные и довольно разнородные системы логических элементов, затем преимущественное распространение получили несколько систем элементов, обеспечивающих наилучшее сочетание важнейших для потребителей и изготовителей характеристик [15]. К одним из исторически первых принадлежат элементы РТЛ (резисторно-транзисторная логика) и ДТЛ (диодно-транзисторная логика), которые изготовлялись и на дискретных схемных элементах, в виде ЦИС. Элементы ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) появились как развитие системы ДТЛ и получили очень широкое применение. Элементы ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) и их модификации являются в настоящее время самыми быстродействующими из всех промышленно освоенных. Элементы ИИЛ (интегральная инжекционная логика) разработаны специально для больших интегральных схем (БИС). Кроме биполярных транзисторов для построения логических элементов используются и полевые транзисторы. Элементы на полевых транзисторах МОП (металл – окисел – полупроводник) и КМОП (комплементарные пары металл – окисел – полупроводник) просты в изготовлении, компактны, имеют малую потребляемую мощность. В то же время схемы на МОП-транзисторах уступают соответствующим устройствам на биполярных транзистоорах по быстродействию.

Все ЦИС выпускаются сериями [8, 9, 16, 17]. К сериям согласно ГОСТ 17021–75 относят совокупность интегральных схем, которые могут выполнять различные функции, но имеют одинаковое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Выбор серии для реализации конкретного устройства должен учитывать необходимое быстродействие устройства, потребляемую мощность, функциональные возможности серии и т.д. Для реализации цифровых автоматов могут использоваться не только логические элементы, но и функциональные узлы, входящие в серии ЦИС. Кроме этого, сложные цифровые автоматы могут быть реализованы на основе программируемых логических матриц (ПЛМ), выпускаемых в виде БИС [12]. Новым высокоэффективным направлением является реализация цифровых автоматов на основе матричных БИС [9], относящихся к классу полузаказных микросхем высокой степени интеграции, которые проектируются на основе базового матричного кристалла. Базовый матричный кристалл представляет собой полупроводниковый кристалл, на котором в определенном порядке размещаются на определенных местах нескоммутированные активные и пассивные компоненты (транзисторы, диоды, резисторы и т.д.). Компоненты подбираются таким образом, чтобы из них можно было построить разнообразные элементы, перечень которых образует функциональный набор– библиотеку элементов. По заказу потребителя производятся соответствующие соединения внутри этой БИС, т.е. построение необходимого цифрового автомата. В настоящем пособии вопросы практического построения цифровых устройств рассматриваются применительно, в основном, к наиболее перспективным сериям ЦИС: стандартным ТТЛ сериям К133, К155, КМ155; быстродействующим с диодами Шоттки (ТТЛШ) К531, К1531; маломощным с диодами Шоттки К555, КМ555, КР1533; быстродействующим с эмиттерной связью (ЭСЛ) сериям 100, 500 и К1500. Основные данные и особенности применения этих серий представлены в [8, 9, 16, 17].