рассмотренный элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И - НЕ. Для ограничения тока через открытый транзистор Г3 при коротком замыкании выхода элемента включен резистор r4.

I у} \

а) Ь

Рис. 4.6. Транзистор с диодом Шотки (а) и его условное обозначение (б)

Благодаря применению сложного инвертора элемент имеет малое выходное сопротивление как в состоянии О, так и в состоянии 1. Это позволяет увеличить ток, отдаваемый в нагрузку, т. е. повысить нагрузочную способность, а также ускорить процессы заряда и разряда емкости нагрузки.

В состав некоторых серий цифровых микросхем ТТЛ входят логические элементы без коллекторной нагрузки выходного транзистора - элементы с «открытым» коллектором. Они предназначены для работы с внешней нагрузкой в виде индикаторных приборов, реле и т. д.

В последние годы наряду с микросхемами ТТЛ, построенными на рассмотренных элементах, выпускают микросхемы ТТЛШ. Эти микросхемы построены по тем же схемотехническим принципам, что и ТТЛ, но вместо обычного транзистора в них использован транзистор с диодом Шотки (рис. 4.6), включенным параллельно коллекторному переходу. Диод Шотки, открываясь при напряжении 0 „2 - 0,3 В, фиксирует этот уровень напряжения на коллекторном переходе, не позволяя переходу открыться, а транзистору войти в режим насыщения. Поэтому уменьшается время выключения логического элемента.

Для иллюстрации достоинств элементов ТТЛШ приведем два параметра одинаковых по схеме элементов, один из которых ТТЛ и относится к серии 130, а другой ТТЛШ и относится к серии 530.

t

Рис. 4.7. Транзисторный переключатель тока: в - принципиальная схема; б - временные диаграммы

Первый характеризуется средней задержкой 11 не при потребляемой мощности 44 мВт, второй - 5 не при 19 мВт (см. табл. 4.14).

Базовый элемент ЭСЛ построен на основе транзисторного переключателя тока. На рис. 4.7 приведены схема переключателя тока и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу.

Переключатель тока состоит из двух транзисторов, эмиттеры которых объединены и подключены к генератору тока. На базу одного из транзисторов Т1 подают напряжение входного сигнала, а на базу другого T2 - отрицательное опорное напряжение - E0, уровень которого выбирают между уровнями логического 0 и логической 1 Поэтому при наличии на входе элемента уровня логической 1 транзистор Т1 открыт, а транзистор Т2 закрыт. Ток 1э протекает через открытый транзистор и создает на его коллекторном резисторе отрицательное падение напряжения высокого уровня, т. е. уровня логического 0. При этом на коллекторе закрытого транзистора напряжение практически отсутствует, что соответствует уровню логической 1. При изменении уровня входного напряжения транзистор Ti переходит в закрытое состояние, а транзистор Т2 - в открытое Таким образом, переключается цепь для тока 1э. При этом изменяются и уровни напряжения на выходах.

На рис 4.8 приведена типичная схема базрвого логического элемента ЭСЛ Элемент выполняет одновременно две логические операции- ИЛИ - НЕ по выходу 1 и ИЛИ по выходу 2. Эмиттер-ные повторители обеспечивают совместимость элементов по входным и выходным уровням напряжения, а также уменьшают выходное сопротивление элемента в целях повышения его быстродействия и нагрузочной способности. Элемент допускает увеличение числа входов при подключении параллельно входным транзисторам расширителя Обычно в состав логических элементов входит и источник опорного напряжения (на схеме обведен пунктирной линией).

Особенность ЭСЛ элементов в некоторых сериях - отсутствие нагрузки в эмиттерных повторителях (предусматривается ее подключение извне).

В ряде серий элементы ЭСЛ построены на базе двухуровневой схемы переключения тока [10].

Базовые элементы НСТЛ состоят из ключевых схем на МДП-транзисторах с индуцированным каналом. Вариант логического элемента такого вида представлен на рис. 4.9,а. Логический элемент состоит из трех параллельно включенных транзисторов, на затворы которых подают входные сигналы, и одного транзистора, выполняющего роль нагрузки. Затвор этого транзистора подключают или к стоку, как в данном случае, или к отдельному источнику напряжения смещения. Благодаря этому транзистор постоянно открыт и выполняет функции резистора. В большинстве случаев используют МДП-транзисторы с каналом р типа. Поэтому на затвор и сток таких транзисторов следует подавать отрицательное напряжение. Для микросхем на р-МДП-транзисторах принята отрицательная логика. При подаче отрицательного напряжения высокого уровня (логической 1) хотя бы на один вход, соответствующий транзистор открывается и на выходе устанавливается отрицательное напряжение низкого уровня (логический 0). Таким образом, рассматриваемый логический элемент выполняет операцию ИЛИ - НЕ.

О

Г"

Входы

1

-Е -0

Рис. 4.8. Базовый элемент ЭСЛ

□г

Вхад1

BxoSZ

У=х,щ+х3

BxotiJ

Xf I О--1 i-,

Вхид2 X 5)

Y=x,-x, ---о *

Выход

Рис. 4.9. Базовые элементы НСТЛ на р-МДП-транзисторе a - ИЛИ - НЕ; б - И - НЕ

Другой вариант логического элемента на МДП-транзисторах представлен на рис. 4.9,6. Здесь транзисторы соединены последовательно, благодаря чему элемент выполняет логическую операцию И-НЕ: для того чтобы открыть элемент, надо подать уровень 1 на оба входа.

Логический элемент, выполняющий операцию ИЛИ, реализуется при последовательном включении элемента ИЛИ - НЕ и инвертора. Так, объединяя в разном сочетании простейшие логические элементы, можно получить ряд элементов, способных выполнять более сложные логические операции.

5й

1

j

Вход!

If*

о

п.

xtJ выход

3

SxadZ

si

О-

пуз?

4?

Рис. 4.10. Логические элементы на КМДП-транзисторах: а - инвертор (ключ); б - ИЛИ - НЕ; в - И - НЕ

Другое, весьма перспективное направление разработок микросхем с малым энергопотреблением базируется на применении МДП-транзисторов с индуцированными каналами разного типа проводимости. Два таких транзистора, соединенных последовательно (рис. 4.10,а), образуют ключевой элемент (инвертор), который в стационарном состоянии потребляет ничтожно малый ток, поскольку в любом положении ключа один из

транзисторов закрыт. Действительно, если на входе низкий уровень положительного напряжения (логический 0), то транзистор Т2 закрыт, а Т1 открыт, и на выходе формируется высокий уровень положительного напряжения (логическая 1), При подаче на вход напряжения с уровнем 1 открывается транзистор Т2, а Т1, имея разность напряжений между затвором и истоком меньше порогового, закрывается. На выходе устанавливается напряжение с уровнем 0.

Такие пары МДП-транзисторов дополняющего типа часто называют комплементарными (КМДП или

КМОП).

На рис. 4.10,6, в приведены логические элементы ИЛИ - НЕ и И - НЕ на КМДП-транзисторах. Для изготовления микропроцессорных микросхем (см. гл. 5) широко применяются логические элементы на приборах с инжек-ционным питанием, называемые элементами интегральной инжекционной логики (ИИЛ или

И2Л).

Основа элементов ИИЛ - ключ, это собственно прибор с ин-жекционным питанием, состоящий из генератора тока инжекции 1и и транзистора с открытым коллекторным выходом. Работу ключа рассмотрим в составе логического элемента ИЛИ - НЕ (рис. 4.11,а).

Если вход закоротить, ток 1и не потечет в базу транзистора Т1 и транзистор будет закрыт - это состояние кодируется логической 1. Если вход разомкнуть (режим холостого хода на входе), ток 1и потечет в базу Т1, откроет его до насыщения и обеспечит тем самым режим короткого замыкания, на выходе - это состояние кодируется логическим 0. Параллельное соединение нескольких ключей, как на рис. 4.11,а, образует логический элемент ИЛИ - НЕ. Подключение к выходу такого элемента дополнительного ключа, т. е. инвертора, позволяет выполнять операцию ИЛИ (рис. 4.11,6). Схемы логических элементов И и И - НЕ приведены на рис. 4.11,в, г.

-о

Выход

Рис. 4.11. Логические элементы с инжекционным питанием: а-ИЛИ-НЕ; б - ИЛИ; в - И; г - И - НЕ

Достоинство элементов ИИЛ и микросхем на их основе - низкое энергопотребление (ОД-f-l мкВт) при достаточном для многих применений быстродействии (единицы МГц) и высокий уровень интеграции. Недостаток - малый перепад между логическими уровнями (менее 0,5 В), чувствительность к помехам и невозможность непосредственного сопряжения с логическими элементами других типов. Поэтому элементы ИИЛ нашли применение в больших интегральных схемах микропроцессоров, где они выполняют все функции внутри структуры, а выходы на внешние цепи осуществляются через обычные ТТЛ элементы, расположенные в одном кристалле с элементами ИИЛ [54].

4.3. ТРИГГЕРЫ

Триггер - это элемент цифровых устройств, который обладает двумя устойчивыми состояниями. В микроэлектронном исполнении выпускают триггеры, различающиеся по сложности построения, по своим функциональным возможностям, по способу управления Г2 10, 36, 37].

Входы, как и сигналы, подаваемые на них, делятся на информационные и вспомогательные. Информационные сигналы через соответствующие входы управляют состоянием триггера. Сигналы на вспомогательных входах служат для предварительной установки триггера в заданное состояние и его синхронизации. Вспомогательные входы могут при необходимости выполнять роль информационных.

Входы и выходы триггеров, как и соответствующим им сигналы, принято обозначать буквами S, R, D, Q, J и

др.

Триггеры классифицируют по ряду признаков. По функциональным возможностям выделяют:

а)триггер с раздельной установкой 0 и 1 (RS-триггер);

б)триггер с приемом информации по одному входу (D-триггер), другое название: триггер задержки;