Лекція 12. Цифрові логічні елементи
Класифікація і основні параметри. Цифрові логічні елементи на інтегральних мікросхемах (ІМС) - це мікроелектронні вироби, призначені для перетворення і обробки дискретних сигналів. Залежно від виду управляючих сигналів цифрові ІМС можна розділити на три групи: потенційні, імпульсні і імпульсно-потенційні.
Переважна більшість логічних елементів відноситься до потенційних, в них використовуються тільки потенційні сигнали і зовсім не використовуються імпульсні сигнали.
У імпульсних цифрових ІМС використовуються тільки імпульсні сигнали і зовсім не використовуються потенційні. У таких ІМС управління здійснюється по перепаду потенціалу під час імпульсу. При цьому можуть використовуватися як позитивні перепади, що позначаються , так і негативні, позначаються .
У імпульсно-потенційних ІМС можуть використовуватися як потенційні, так і імпульсні сигнали. При цьому імпульсні входи, керовані перепадом напруги, позначають косою межею, вказуючою напрям перепаду напруги (/ або \).
Всі логічні елементи описуються набором параметрів, які обумовлені в технічних умовах (ТУ). Використовування параметрів, не записаних в ТУ, не дозволяється, оскільки в процесі вдосконалення виробу вони можуть змінюватися.
До основних параметрів логічних елементів відносяться:
набір логічних функцій;
число входів по І і по АБО;
коефіцієнт розгалуження по виходу;
споживана потужність;
динамічні параметри: затримка розповсюдження сигналу і (або) максимальна частота вхідного сигналу.
У табл. 12.1 приведені основні логічні функції, позначення відповідних елементів і їх схеми.
Таблиця 12.1
Основні логічні функції
Елемент
|
Позначення
|
Виконуюча функція і схема |
НІ |
ЛН |
|
І |
ЛІ |
|
І-НІ |
ЛА |
|
АБО |
ЛЛ |
|
АБО-НІ |
ЛЕ |
|
І-АБО |
ЛС |
|
І-АБО-НІ |
ЛР |
|
Виключне АБО |
ЛП |
|
Число входів по І і по АБО лежить в межах від 2 до 16. Якщо наявного числа входів недостатньо, то для їх збільшення використовуються інтегральні схеми розширювачів по АБО, що позначаються ЛД.
Коефіцієнт розгалуження по виходу характеризує здатність навантаження логічного елементу і визначається кількістю входів однотипних елементів, які можна підключити до виходу. В деяких випадках в ТУ указується максимальний вихідний струм логічного елементу.
Сигнал на виході логічного елементу затримується щодо вхідного сигналу. Ця затримка визначає не тільки швидкодію цифрових схем, але і їх працездатність. Час затримки прийнятий визначати по рівню 0,5Uвих і 0,5Uвих, як показано на рис. 12.1. При цьому затримка переднього фронту імпульсного сигналу може відрізнятися від затримки заднього фронту і в результаті тривалість імпульсу на вході виявляється відмінною від тривалості імпульсу на виході.
Потужність, споживана логічною ІМС, звичайно залежить від сигналів, поданих на входи. Для порівняння споживаної ІМС потужності користуються поняттям середньої потшужності Рср, споживаної базовим логічним елементом у включеному і вимкненому станах. Це дозволяє порівнювати по споживаній потужності логічні ІМС різних серій.
Рис. 12.1. - Сигнали на вході і виході логічного елементу НЕ
Серійні логічні ІМС. Залежно від технології виготовлення логічні ІМС діляться на серії, відмінні набором елементів, напругою живлення, споживаною потужністю, динамічним параметрам і ін. Найбільше застосування одержали серії логічних ІМС, виконані за ТТЛ (транзисторно-транзисторна логіка), ЕСЛ (емітернозв'язана логіка) і КМОП (комплементарна МОП логіка) технологіями. Кожна з перерахованих технологій удосконалювалася, тому в кожній серії ІМС є підсерії,
відмінні по параметрах.
У ІМС, виконаних за технологією ТТЛ, як базовий елемент використовується багатоемітерний транзистор. Спрощена схема логічного елементу І-НЕ з багатоемітерним транзистором VT1 приведена на рис. 12.2. Багатоемітерний транзистор (МЕТ) відрізняється від звичного транзистора тим, що він має декілька емітерів, розташованих так, що пряма взаємодія між ними виключається. Завдяки цьому переходи база-емітери МЕТ можна розглядати як паралельно включені діоди.
Другий транзистор VT2 є інвертуванням сигналу, що виконує функцію НЕ. Якщо хоча б на один емітер МЕТ поданий низький рівень, то струм бази VT2 рівний нулю і на колекторі VT2 буде високий рівень. Для того, щоб напруга на колекторі
VT2 мала низький рівень, необхідно на всі емітери МЕТ подати високий рівень. Завдяки цьому алгоритму реалізується функція І-НЕ. У пізніших серіях ІМС, виконаних за технологією ТТЛ, використовувалося складне інвертування з двуполярним ключем, а для виключення насичення МЕТ застосовувалися діоди Шотки з малим падінням напруги в прямому напрямі (ТТЛШ).
Рис. 12.2. - Спрощена схема логічного елементу 2И-НЕ (ТТЛ)
Першим розробником ІМС за технологією ТТЛ є фірма Texas Instruments, яка випустила ІМС серії SN74. Подальші удосконалення цієї серії були направлені на підвищення швидкодії і зниження споживаної потужності. У табл. 12.2 приведені серії вітчизняних мікросхем і їх відповідність різним серіям мікросхем SN74/54.
Основні параметри ІМС ТТЛ різних серій приведені в табл. 12.3. По поєднанню параметрів найбільше, поширення набули ІМС серії SN74LS (серія 555).
ІМС цій серії працюють при напрузі живлення +5 У ± 5%.
Таблиця 12.2
Позначення: L (low) - малопотужна серія, Н (high) - швидкодійна серія, LS (low, Shottky) - малопотужна з діодами Шотки, S (Shottky) - з діодами Шотки, ALS - вдосконалена з діодами Шотки, F (fast) - надшвидкодіюча.
Таблиця 12.3