Мал. 16.10.

Принципова відмінність КМОП-схем від nМОП-технології полягає у відсутності у схемі активних опорів. До кожного входу схеми підключено пару транзисторів із різним типом каналу. Транзистори з каналом p-типу підключені підкладкою до джерела живлення, тому утворення каналу в них відбуватиметься при достатній великій різниці потенціалів між підкладкою та затвором, причому потенціал на затворі має бути негативним щодо підкладки. Такий стан забезпечується подачею на затвор потенціалу землі (тобто логічного 0). Транзистори з каналом n-типу підключені підкладкою до землі, тому утворення каналу в них відбуватиметься при подачі на затвор потенціалу джерела живлення (тобто логічної 1). Одночасна подача такі пари транзисторів з різним типом каналів логічного нуля чи логічної одиниці призводить до того, що один транзистор пари обов'язково буде відкритий, а інший закритий. Таким чином, створюються умови до підключення виходу або до джерела живлення, або до землі.

Так, у найпростішому випадку для схеми інвертора (рис. 16.10) при А=0 транзистора VT1 буде відкритий, а VT2 закритий. Отже, вихід схеми F буде підключений через VT1 канал до джерела живлення, що відповідає стану логічної одиниці: F=1 . При А=1 транзистор VT1 буде закритий (на затворі та підкладці однакові потенціали), а VT2 відкритий. Отже вихід схеми F буде підключений через канал транзистора VT2 до землі. Це відповідає стану логічного нуля: F = 0.

Логічне складання (рис. 16.11) здійснюється за рахунок послідовного з'єднання p-каналів транзисторів VT1 та VT2. При подачі хоча б однієї одиниці єдиного каналу даних транзисторів не утворюється. У той же час завдяки паралельному з'єднанню VT3 та VT4 здійснюється відкриття відповідного транзистора в нижній частині схеми, що забезпечує підключення виходу F до землі. Виходить F = 0 при подачі хоча б однієї логічної 1 - це правило АБО-НЕ.

Мал. 16.11.

Функція І-НЕ здійснюється за рахунок паралельного з'єднання VT1 та VT2 у верхній частині схеми та послідовного з'єднання VT3 та VT4 у нижній частині (рис. 16.12). При подачі хоча б на один вхід нуля єдиний канал VT3 і VT4 не утворюється, вихід буде відключений від землі. У той же час хоча б один транзистор у верхній частині схеми (на затвор якого подано логічний нуль) забезпечуватиме підключення виходу F до джерела живлення: F=1 при подачі хоча б одного нуля – правило І-НЕ.

Мал. 16.12.

Короткі підсумки

Залежно від елементної бази розрізняють різні технології виробництва ІМС. Основними є ТТЛ на біполярних транзисторах та nМОП та КМОП на польових транзисторах.

Ключові терміни

nМОП-технологія польових транзисторівз індукованим каналом n-типу.

Буфер на 3 стани- Вихідна частина схеми ТТЛ, що забезпечує можливість переходу в третій, високоімпедансний стан.

КМОП-технологія- технологія виробництва ІМС на базі польових транзисторівз каналами обох типів електропровідності

Відкритий колектор- Варіант реалізації буферної частини елементів ТТЛ без резистора в ланцюзі навантаження, який виноситься за межі схеми.

Схеми з активним навантаженням- Схеми ТТЛ, в яких стан буферного ланцюга визначається станом не одного, а двох транзисторів.

Транзисторно-транзисторна логіка- Технологія виробництва ІМС на базі біполярних транзисторів.

Прийняті скорочення

КМОП -комплементарний, метал, оксид, напівпровідник

Набір для практики

Вправи до лекції 16

Вправа 1

Варіант 1 до вправи 1.Намалювати схему 3-входового елемента АБО-НЕ по nМОП-технології.

Варіант 2 до вправи 1. Намалювати схему 3-входового елемента І-НЕ по nМОП-технології.

Варіант 3 до вправи 1.Намалювати схему 4-входового елемента АБО-НЕ по nМОП-технології.

Вправа 2

Варіант 1 до вправи 2.Намалювати схему 3-входового елемента АБО-НЕ за КМОП-технологією.

Варіант 2 до вправи 2. Намалювати схему 3-входового елемента І-НЕ за КМОП-технологією.

Варіант 3 до вправи 2.Намалювати схему 4-входового елемента АБО-НЕ за КМОП-технологією.

Вправа 3

Варіант 1 до вправи 3.Намалювати схему 3-входового елемента АБО-НЕ по ТТЛ-технології.

Варіант 2 до вправи 3. Намалювати схему 3-входового елемента І-НЕ по ТТЛ-технології.

Варіант 3 до вправи 3. Намалювати схему 4-входового елемента АБО-НЕ по ТТЛ-технології.

Вправа 4

Варіант 1 до вправи 4. Намалювати схему 3-входового елемента АБО по nМОП-технології.

Варіант 2 до вправи 4. Намалювати схему 3-входового елемента І з nМОП-технології.

Варіант 3 до вправи 4. Намалювати схему 4-входового елемента АБО по nМОП-технології.

Вправа 5

Варіант 1 до вправи 5.Намалювати схему 3-входового елемента АБО за КМОП-технологією.

Варіант 2 до вправи 5. Намалювати схему 3-входового елемента І за КМОП-технологією.

Варіант 3 до вправи 5.Намалювати схему 4-входового елемента АБО за КМОП-технологією.

Вправа 6

Варіант 1 до вправи 6.Намалювати схему 3-входового елемента АБО за ТТЛ-технологією.

Варіант 2 до вправи 6. Намалювати схему 3-входового елемента І з ТТЛ-технології.

Варіант 3 до вправи 6. Намалювати схему 4-входового елемента АБО за ТТЛ-технологією.

Вправа 7

Варіант 1 до вправи 7.Намалювати схему елемента 2І-АБО-НЕ за ТТЛ-технології.

Варіант 2 до вправи 7.Намалювати схему елемента 2І-АБО-НЕ за КМОП-технологією.

Варіант 3 до вправи 7.Намалювати схему елемента 2І-АБО-НЕ по nМОП-технології.

Вправа 8

Варіант 1 до вправи 8. Намалювати схему 3-входового елемента АБО-НЕ з буфером на 3 стани.

Варіант 2 до вправи 8.Намалювати схему 3-входового елемента І-НЕ з відкритим колектором.

Варіант 3 до вправи 8. Намалювати схему 3-входового елемента АБО з буфером на 3 стани.

Основна родова ознака ТТЛ – використання біполярних транзисторів, причому структури лише п-р-п. КМОП ж, як випливає з її назви, заснована на польових транзисторах з ізольованим затвором структури МОП, причому комплементарних, тобто обох полярностей - і з w - і / -каналом. Схемотехніка базових логічних елементів ТТЛ та КМОП наведена на рис. 15.1. На заході їх ще називають вентилями – чим можна виправдати таку назву, ми побачимо наприкінці розділу.

Вхідний багатоемітерний транзистор ТТЛ ми вже малювали в розділі І - він може мати скільки завгодно (на практиці - до восьми) емітерів, і елемент тоді матиме відповідну кількість входів. Якщо будь-який з емітерів транзистора VT1 замкнути на «землю», то транзистор відкриється, а фазорозщепляющий транзистор VT2 (з його роботою ми знайомі по рис. 6.8) - закриється. Відповідно вихідний транзистор VT3 відкриється, а VT4 - закриється, на виході буде високий логічний рівень, або рівень логічної одиниці. Якщо ж всі емітери приєднані до високого потенціалу (або просто «висять» у повітрі), то ситуація буде зворотна – VT2 відкриється струмом через перехід база-колектор VT1 (таке включення транзистора називається «інверсним»), і на виході встановиться нуль за рахунок відкритого транзистор VT4. Такий ТТЛ-елемент здійснюватиме функцію «І-НЕ» (логічний нуль на виході лише за одиниць на всіх входах).

ТТЛ

Вихідний каскад ТТЛ-елемента є такою собі подібністю комплементарного («пушпульного») каскаду класу В, знайомого нам за аналоговими підсилювачами (див. рис. 8.2). Однак відтворення р-п-р-транзисторів виявилося для ТТЛ-технології надто складним, тому такий каскад носить ще назву псевдокомплементарного - верхній транзистор VT3 працює в режимі емітерного повторювача, а нижній - у схемі із загальним емітером.

Мал. 15.1. Схеми базових елементів ТТЛ та КМОП

До речі, зауважимо, що через недоступність p-w-p-транзисторів відтворення схеми «АБО» для ТТЛ-технології виявилося міцним горішком, і її схемотехніка досить суттєво відрізняється від показаної на рис. 15.1 базової схеми елемента "І-НЕ".

Нотатки на полях

На зорі транзисторної техніки псевдокомплементарні каскади, подібні до вихідного каскаду ТТЛ, використовувалися - о жах! - для посилення звуку. Ця побудова дало підстави для численних спроб пристосувати логічні елементи, які, по суті, є підсилювачем з досить великим (кілька десятків) коефіцієнтом посилення, для посилення аналогових сигналів. Зайве говорити, що результати виявилися досить плачевними, навіть із КМОП-елементом, який побудований набагато симетричніше.

Як видно зі схеми, ТТЛ-елемент істотно несиметричний і входами, і виходами. По входу напруга логічного нуля має бути досить близько до «землі», при напрузі на емітері близько 1,5 (при стандартному для ТТЛ живленні 5 В) вхідний транзистор вже замикається. Причому при подачі нуля потрібно забезпечити відведення досить значного струму база-емітер-близько 1,6 мА для стандартного елемента, чому для елементів ТТЛ завжди обумовлюється максимальна кількість одночасно приєднаних до виходу інших таких елементів (стандартно - не більше десятка). У той же час, логічну одиницю на входи можна не подавати зовсім. Практично, однак, подавати її слід - за правилами незадіяні входи ТТЛ мають бути приєднані до живлення через резистори 1 кОм.

Ще гірші справи на виході: напруга логічного нуля забезпечується відкритим транзистором і дійсно досить близько до нуля - навіть при навантаженні у вигляді десятка входів інших таких же елементів воно не перевищує 0,5 В, а в нормах на сигнал ТТЛ обумовлено величину не більше 0 ,8 В. А ось напруга логічної одиниці досить далеко відстоїть від живлення і становить при харчуванні 5 В у кращому випадку (без навантаження) від 3,5 до 4 В, практично в нормах обумовлюється величина 2,4 В.

Таке балансування десятими вольта (напруга нуля 0,8 В, напруга порога перемикання від 1,2 до 2, напруга одиниці 2,4 В) призводить до того, що всі ТТЛ-мікросхеми можуть працювати в досить вузькому діапазоні напруг живлення - практично від 4,5 до 5,5 В, багато навіть від 4,75 до 5,25 В, тобто 5 В ±5%. Максимально допустима напруга живлення становить для різних ТТЛ-серій від 6 до 7, і при його перевищенні вони зазвичай горять ясним полум'ям. Низький і несиметричний щодо живлення поріг спрацьовування елемента призводить і до поганої стійкості до перешкод.

Найбільшим (і навіть серйознішим, ніж інші) недоліком ТТЛ є високе споживання - до 2,5 мА на один такий елемент, це без урахування струмів по входу і споживання навантаження по виходу. Так що доводиться тільки дивуватися, чому мікросхеми ТТЛ, що містять багато базових елементів, на зразок лічильників або регістрів, не вимагають радіатора, що охолоджує. Поєднання низької завадостійкості з високим споживанням - суміш досить гримуча, і при розведенні плат з ТТЛ-мікросхемами доводиться ставити по конденсатору, що розв'язує, на кожен корпус. Все перераховане в сукупності давно б змусило відмовитися від технології ТТЛ взагалі, однак у них до певного часу була одна незаперечна перевага: висока швидкодія, яка базового елемента у вигляді, показаному на рис. 15.1 може досягати десятків мегагерц.

Надалі розвиток ТТЛ йшло лінії зменшення споживання та поліпшення електричних характеристик, переважно з допомогою використання т. зв. переходів Шоттки, на яких падіння напруги може становити 0,2-0,3 В замість звичайних 0,6-0,7 В (технологія ТТЛШ, позначається буквою S у найменуванні серії, вітчизняний аналог-серії 531 і 530). Базова технологія, яка становила основу широко поширеної в 1960-70-х роках серії 74 без додаткових букв у позначенні (аналоги-знамениті вітчизняні серії 155 і 133), зараз практично не використовується. ТТЛ-мікросхеми в даний час можна вибирати з варіантів, представлених малоспоживаючими серіями типу 74LSxx (серії 555 і 533) або швидкодіючими типу 74Fxx (серія 1531). Причому споживання останніх практично дорівнює споживанню старих базових серій при вищому (до 125 МГц) швидкодії, а перших все навпаки- швидкодія збережено лише на рівні базового, зате споживання харчування знижено втричі-четыре.

КМОП

КМОП-елементи набагато ближче до уявлення про те, яким має бути ідеальний логічний елемент. Для початку, як можна побачити з рис. 15.1 вони практично симетричні, як по входу, так і по виходу. Відкритий польовий транзистор на виході (або /?-типу для логічної одиниці, або «-типу для логічного нуля) фактично є, як ми знаємо.

просто опір, який для звичайних КМОП-елементів може становити від 100 до 300 Ом (під «звичайними» або «класичними» КМОП ми маємо на увазі серію 4000А або 4000В, див. далі). Для додаткової симетрії на виході зазвичай ставлять послідовно два інвертори, подібні до показаного на рис. 15.1 справа (шкода, транзисторів, якщо споживання не зростає?). Тому на виході не дається взнаки те, що в нижньому плечі для схеми «І-НЕ» стоять два таких транзистори послідовно.

Для схеми «АБО» такі транзистори стоятимуть у верхньому плечі – вона повністю симетрична схемі «І», що теж плюс технології КМОП у порівнянні з ТТЛ. Зверніть також увагу, що вихідний каскад інвертора побудований не за схемою «пушпульного» каскаду, тобто це не потокові повторювачі напруги, а транзистори у схемі із загальним джерелом, з'єднані стоками, що дозволяє отримати додатковий коефіцієнт посилення напруги.

Насправді особливості побудови елемента призводять до того що, що у КМОП-микросхемах:

На ненавантаженому виході напруга логічної одиниці практично дорівнює напрузі живлення, а напруга логічного нуля практично дорівнює потенціалу «землі»;

Поріг перемикання близький до половини напруги живлення;

Входи практично не споживають струму, оскільки є ізольованими затворами МОП-транзисторів;

У статичному режимі весь елемент також споживає струму від джерела живлення.

З останнього положення випливає, що схема будь-якого ступеня складності, побудована за допомогою КМОП-елементів, у «застиглому» стані і навіть при малих робочих частотах, що не перевищують десятка-другого кілогерця, практично не споживає енергії! Звідси ясно, як стали можливими такі фокуси, як наручний годинник, який здатний йти від маленької батарейки роками, або sleep-режим мікроконтролерів, в якому вони споживають від 1 до 50 мкА на всі десятки тисяч логічних елементів, що їх складають.

Інше наслідок перелічених особливостей - виняткова завадостійкість, що досягає половини напруги харчування. Але це ще не всі переваги. КМОП-мікросхеми «класичних» серій можуть працювати в діапазоні напруг живлення від 2 до 18 В, а сучасні швидкодіючі - від 2 до 7 В. Єдине, що при цьому відбувається при

зниженні живлення досить різко - у рази - падає швидкодія і погіршуються деякі інші характеристики.

Крім того, вихідні транзистори КМОП, як і будь-які інші польові транзистори, при перевантаженні (наприклад, в режимі короткого замикання) працюють як джерела струму - при напрузі живлення 15 цей струм складе близько 30 мА, при 5 - близько 5 мА. Причому це, в принципі, може бути довгостроковий режим роботи таких елементів, єдине, що при цьому треба перевірити - чи не перевищується чи значення сумарного допустимого струму через виведення живлення, яке зазвичай становить близько 50 мА. Тобто, можливо, доведеться обмежити кількість виходів, які одночасно підключені до низькоомного навантаження. Природно, про логічні рівні в такому режимі вже не йдеться, тільки про струм, що втікає або витікає.

І тут ми підходимо до основної нестачі «класичної» КМОП-технології – низької порівняно ТТЛ швидкодії. Це зумовлено тим, що ізольований затвор МОП-транзистора є конденсатором досить великої ємності- в базовому елементі до 10-15 пФ. Спільно з вихідним резистивним опором попередньої схеми такий конденсатор утворює фільтр низьких частот. Зазвичай розглядають непросто частотні властивості, а час затримки поширення сигналу однією логічний елемент. Затримка виникає через те, що фронт сигналу не строго вертикальний, а похилий, і напруга на виході тільки почне наростати (або знижуватися), коли напруга на вході досягне вже значної величини (в ідеалі - половини напруги живлення). Час затримки міг досягати у ранніх серій КМОП величини 200-250 НС (порівняйте - у базової серії ТТЛ всього 7,5 не). На практиці при напрузі живлення 5 В максимальна робоча частота «класичного» КМОП не перевищує 1-3 МГц- спробуйте спорудити на логічних елементах генератор прямокутних сигналів за будь-якою із схем, які будуть розібрані в розділі 16, і ви побачите, що вже за частоти 1 МГц форма сигналу швидше нагадуватиме синусоїду, ніж прямокутник.

Іншим наслідком наявності високої вхідної ємності є те, що при перемиканні виникає імпульс струму перезарядки цієї ємності, тобто чим вище робоча частота, тим більше споживає мікросхема, і вважається, що при максимальних робочих частотах її споживання може зрівнятися із споживанням ТТЛ (принаймні , ТТЛ серії 74LS). Справа ще посилюється тим, що через затягнуті фронти імпульсів елемент досить тривалий час перебуває в активному стані, коли обидва вихідні транзистори відкриті (тобто виникає так званий ефект «наскрізного струму»).

Це ж затягування фронтів у поєднанні з високоомним входом призводить до зниження перешкодостійкості при перею1юченні - якщо на фронті сигналу «сидить» високочастотна перешкода, це може призводити до багаторазовим перемикань виходу, як це було у компаратора (див. розділ 13). Тому в специфікаціях на мікросхеми часто вказують бажану максимальну тривалість фронтів сигналу, що управляє.

Однак у сучасних КМОП, на відміну від «класичних», більшість недоліків, пов'язаних із низькою швидкодією, вдалося подолати (щоправда, за рахунок зниження допустимого діапазону харчування). Докладніше про серії КМОП розказано далі, а поки ще кілька слів про особливості цих мікросхем.

Незадіяні входи елемента КМОП потрібно обов'язково підключати кудись - або до землі, або до живлення (резисторів при цьому не потрібно, тому що вхід струму не споживає), або поєднувати з сусіднім входом - інакше наведення на такому високоомному вході повністю порушать роботу схеми. Причому з метою зниження споживання слід робити це і по відношенню до незадіяних елементів у тому самому корпусі (але не до всіх незадіяних висновків, звичайно). «Голий» вхід КМОП через свою високоомність може бути також причиною підвищеної «смертності» чіпів при впливі статичної електрики, проте на практиці входи завжди шунтують діодами, як показано на рис. 11.4. Допустимий струм через ці діоди також обумовлюється у специфікаціях.

Для проектування цифрових ІС крім біполярних п-р-п- та p-n-p-транзисторів використовуються також уніполярні польові та канальні транзистори (рис. 5.17,а), які називаються МОП-транзисторами (MOS-transistors; MOS - Metal-Oxide-Semiconductor - метал-окис-напівпровідник). У загальному випадку польовий транзистор має чотири електроди: витік S (Source), стік D (Drain), затвор G (Gate) та підкладка SS (Substrate). Виведення затвора у зображенні польових транзисторів зміщується ближче до джерела. Зображення каналу зі збагаченням штриховою лінією символізує відсутність провідності між стоком та витоком при нульовій напрузі затвор-витік. На рис. 5.17,а символами "+" і "-" позначені полярності напруги на електродах для нормального режиму роботи польового транзистора. Підкладка зазвичай підключається до початку або одного з полюсів джерела живлення.

На рис. 5.17,6 показана схема включення пари комплементарних транзисторів (транзисторів з різними типами каналів), що є електронним ключем - інвертор (ЛЕ НЕ). Особливістю даного ключа є відсутність струму через транзистори в статичному стані, тому що при будь-якому значенні вхідного сигналу один із послідовно включених транзистори закритий. Ключ споживає струм тільки при перемиканні на інтервалі часу, протягом якого змінюється вхідний сигнал. На цьому інтервалі обидва транзистори

відкриті, так як вхідний сигнал має значення призводить до значень різниць напруг між затворами та витоками і -канальних транзисторів, що значно відрізняються від нульових. Найбільший струм протікає при

Польові транзистори дозволяють побудувати як цифрові, а й аналогові ключі для комутації двополярних аналогових сигналів, що неможливо зробити на біполярних транзисторах. На рис. 5.17 показаний основний елемент такого аналогового ключа (замість потенціалу землі для комутації Двополярних сигналів слід подати негативну напругу При значеннях обидва транзистори закриті (опір закритого ключа становить ротні ключ розімкнутий, а при відкривається один з транзисторів в залежності від полярності комутованої вхідної напруги). Випадок опір між полюсами ключа проставляє від одиниць до сотень Ом залежно від типу (опір відкритого ключа).Чим менше залежність величини напруги комутованого сигналу, тим вище лінійність ключа. нерозрізні - входом буде той полюс ключа, на який подано сигнал, що комутується.

Розроблено три основні технології виготовлення ІВ на польових транзисторах:

МОП технологія (n-MOS technology),

МОП технологія p-MOS technology),

CMOS технологія CMOS technology; CMOS – Complementary MOS).

Всі ці технології постійно удосконалюються з метою збільшення швидкодії та ступеня інтеграції елементів на кристалі. Наразі розроблено кілька десятків цих технологій.

Схемотехніка КМОП ІВ. Перші КМОП ІС серії були розроблені фірмою в 1968 р., потім була випущена серія витіснена згодом (серією з покращеними характеристиками. Дані серії ІС випускають багато зарубіжних фірм, наприклад, серії Серії серії та ін. Загальним

Недоліком ІС всіх цих серій є їх низька швидкодія (час затримки сигналів досягає сотень) і малі значення вихідних струмів.

У 1981 р. фірмами Motorola і National Semiconductor були розроблені ІС серій близькі за фізичними параметрами до серій. Зокрема, швидкодія цих КМОП і ТТЛ серій однакова (середній час затримки вентиля не). Ще більшу швидкодію було досягнуто у КМОП серіях розроблених у 1985 р. фірмою Texas Instruments Inc. (). Позитивні властивості як ТТЛ ІВ, так і КМОП ІВ були реалізовані фірмою в ІС серії ВСТ (1987 р.), що виготовляються за BiCMOS-технологією технологія з розміщенням біполярних та КМОП транзисторів на одному кристалі з рівнями вхідних та вихідних сигналів ІС, сумісних з ТТЛ- рівнями).

У табл. 5.9 наведено відповідність вітчизняних та зарубіжних серій КМОП ІС. Напруга живлення у КМОП ІВ можна змінювати в широких межах - чим вище напруга живлення, тим більша швидкодія ІВ. За функціями, що виконуються, і (або) нумерації висновків ІС серій 4000 здебільшого відрізняються від ТТЛ ІС аналогічного функціонального призначення. Функціональний ряд ІС серій включає частину ІС як ТТЛ серій 54/74, так і КМОП серій з однаковими номерами у всіх цих серіях мають однакове функціональне призначення і нумерацію висновків).

На рис. 5.18 а показані ланцюги діодного захисту входів і виходів ЛЕ від електростатичної напруги у ІС серії а на рис. 5.18,6 - у ІС серії Такий захист входів та виходів мають усі цифрові ІС, крім перетворювачів рівнів напруги яких використовується інший варіант захисту входів (рис. 5.19). При першому варіанті захисту входів рівні вхідних сигналів не повинні перевищувати напруги живлення через відкривання діода, включеного між входом і полюсом При другому варіанті захисту рівні вхідних сигналів можуть у кілька разів перевищувати значення не виводячи ІВ з ладу (надмірна напруга гаситься на резисторі). В цьому випадку ІС працює як знижуючий перетворювач рівня логічного 1. Вхідний ланцюг забезпечує також захист від негативних значень напруги вхідних сигналів. У

(Див. скан)

Надалі ланцюги захисту входів і виходів, як правило, не показуватимуться.

Відмінність між серіями (рис. 5.19, а) та (рис. 5.19,6) полягає в наявності на виходах ІВ останньої додаткових буферів для розв'язки ІВ від зовнішнього середовища. Замість серії в даний час випускається серія з небуферовані виходами, що має аналогічні електричні параметри (UB - Unbuffered, Buffered). Наявність у серії CD40005 додаткових вихідних буферів призводить до збільшення затримок сигналів у ЛЕ, але покращує перемикальні характеристики. Порівняльна характеристика цих серій наведена у табл. 5.10.

Таблиця 5.10. (див. скан) Параметри ІС серій CD4000B та CD4000UB

Реалізація аналогового ключа показано на рис. 5.20. При значенні сигналу ОЕ = 1 (ОЕ - Output Enable) ключ відкритий, а закритий. У закритому стані ключ характеризується великим вихідним імпедансом і прийнято говорити, що вихід знаходиться в Z стані. Замість

потенціалу землі можна подати негативну напругу але при цьому має виконуватися умова

Схема двовходового представлена ​​на рис. 5.21. Вихідний каскад двох комплементарних транзисторах є буферним каскадом, оскільки він ізолює всі внутрішні зв'язку від виходу ЛЕ. Різниця між небуферованою та буферованою серіями наочно видно з рис. 5.22 де представлені виконують однакові функції Інше схемотехнічне виконання ЛЕ 2І-НЕ показано на рис. 5.23.

Універсальний набір елементів, що складається з двох комплементарних пар МОП-транзисторів та інвертора, реалізований (рис. 5.24). Даний набір дозволяє користувачеві за допомогою зовнішніх з'єднань висновків ІС отримувати аналогові комутатори та

аналоговий двоканальний комутатор (рис. 5.25) - з'єднані висновки 2 та 9; 4 та 11; 3 та 6; 8, 10 та 13; 1, 5 та 12;

три інвертори - з'єднати висновки 2, 11 та 14; 4, 7 та 9; 8 та 13 (вихід НЕ з входом 6); 1 та 5 (вихід НЕ з входом 3); 10 - вхід вихід НЕ;

3АБО-НЕ - з'єднати висновки 4, 7 та 9; та 11; 5, 8 та 12 (вихід ЛЕ зі входами 3, 6 та 10);

3І-НЕ - з'єднати висновки 2, 11 та 14; 4 та 8; 5 та 9; 1, 12 та 13 (вихід ЛЕ зі входами 3, 6 та 10);

ЛЕ, що реалізує функцію з'єднати висновки 2 та 14; 4, 8 та 9; 1 та 11; 5, 12 та 13 (вихід

ЛЕ, що реалізує функцію з'єднати висновки 2 та 14; 7 та 9; 4 та 8; 1, 11 та 13; 5 і 12 (вихід;

інвертор із Z-станом виходу, що виконує функцію

При Z-стан виходу при з'єднати висновки 8, 11 і 13;

Порівняно з ТТЛ ІВ слід відзначити такі переваги КМОП ІВ серій 4000 (серій 561 та 1561):

мала потужність споживання в діапазоні частот до (у статичному режимі потужність споживання становить вентиль);

великий діапазон напруги живлення можна використати нестабілізоване джерело живлення; дуже високий вхідний опір (велика здатність навантаження на частотах до

Мінімальна залежність показників від температури. До недоліків КМОП ІС серій 4000 (серій 561 та 1561) слід віднести:

підвищений вихідний опір (0,5...1 кОм); великий вплив ємності навантаження та напруги живлення на час затримки, тривалість фронтів та споживану потужність;

великі часи затримок та тривалості фронтів; великий розкид всіх параметрів.

Графіки залежностей потужності, що розсіюється, від частоти для КМОП і ТТЛ ІС перетинаються на деякій частоті, оскільки у ТТЛ ІС динамічна потужність дуже слабо залежить від частоти перемикання. На гранично допустимих частотах потужність споживання КМОП ІВ виявляється такого ж порядку, що й у ТТЛ ІВ.

У статичному режимі (без перевантаження) у КМОП ІС рівні вихідних сигналів значно відрізняються від рівнів У КМОП ІС на відміну від типових значень Вимоги до рівнів вхідних сигналів також значно різняться: у КМОП ІС на відміну від Відповідно розрізняються пороги перемикання: для КМОП BС і 1 ,2 для ТТЛ BС. Це викликає певні труднощі при використанні в одному пристрої ТТЛ та рівень

При способах узгодження рівнів будуть розглянуті у § 5.6.

У серіях випускаються КМОП ІВ двох типів: серії не узгоджені по входах з ТТЛ ІВ, та серії узгоджені по входах з ТТЛ ІВ (що не потребують додаткового перетворення рівнів). Ці серії розрізняються виконанням вхідних та вихідних ланцюгів ІВ, показаних на рис. 5.26 а для ІС серій на рис. 5.26 б - для ІС серій на рис. 5.27 - для ІС серій та на рис. 5.28 - для ІС серій Пороги перемикання у ІС серій знаходяться між , а у ІС серій поріг перемикання дорівнює при вимогі до рівнів вхідних сигналів, що задається нерівностями

Перешкодостійкість ІС серій наведена у табл. 5.11, з якої видно, що вона значно вища, ніж у серії ТТЛ (див. табл. 5.5). Граничні значення параметрів ІС цих серій наведено в табл. 5.12, а рекомендовані умови експлуатації

(Див. скан)

У табл. 5.13.

Інтегральні схеми КМОП серій, що мають однакові номери (у зарубіжних ІВ) або однакові літерно-цифрові позначення (у вітчизняних ІС окремо по групах серій 176/561/564/1561 і 1564/1554), виконують однакові функції і збігаються по розведенню. Надалі на малюнках для ІС КМОП серій вказуватиметься назва ІВ тільки однієї конкретної серії, хоча аналогічні ІС можуть бути і в інших серіях.

Мал. 5.29 (див. скан)

На рис. 5.29 представлені ЛЕ І-НЕ, І, НЕ, АБО-НЕ та сума по модулю два, що випускаються вітчизняною промисловістю. На графічних позначеннях вказані номери аналогів зарубіжних ІС. Логічні елементи серії 176 наведено на рис. 5.30. Застосування було розглянуто вище при описі її закордонного аналога комплементарних пар транзисторів, G - затвор, стоки р-канального і n-канального транзисторів, SP і SN - витоки

(Клацніть для перегляду скана)

p-канального та n-канального транзисторів). Зарубіжні ЛЕ, які мають нині вітчизняних аналогів, показано на рис. 5.31 та 5.32.

Мал. 5.32 (див. скан)

Параметри ІС КМОП серії наведено у табл. , а табл. П2.3 - параметри ІС серій 4000, які в першу чергу слід враховувати під час проектування цифрових та мікропроцесорних пристроїв. Параметри вітчизняних ІС серій 176, 561 і 1561 можна знайти в довідниках, а ІС серії 1554 - в. Корисний довідковий матеріал з ІС КМОП серій є в .

Інтегральні схеми серій 54. АС11000/74. АС11000.

Для зменшення рівня перешкод у швидкодіючих КМОП ІС, що виникають при перемиканні ЛЕ, краще використовувати центральне розташування висновків харчування на

кристалі, причому виходи ІС слід розташовувати на тій стороні, де знаходиться загальний вихід живлення (GND). Фірма випустила серії де число І вказує на центральне розташування висновків живлення ІВ, а числа порядковий номер ІВ, як і в інших серіях На рис. 5.33 наведено ЛЕ цих серій.

Інтегральні схеми серії SN54BCT/SN74BCT.

Як зазначалося вище, ІС даних серій виготовляються за технологією BiMOS. Вхідні ланцюги ІВ виконуються за схемою, наведеною на рис. 5.34 а, що робить входи цих ІС сумісними з ТТЛ-рівнями вхідних сигналів.

У мікропроцесорних системах у великій кількості використовуються шинні драйвери і приймачі, причому в кожен момент часу в активному стані знаходиться приймач або драйвер тільки одного зовнішнього пристрою, а інші - в Z-стані. Драйвери і приймачі, що виконуються за ТТЛ технологіями, в Z-стані виходів споживають струм того ж порядку, що і в активному стані виходів, хоча не виконують більшу частину часу корисної роботи.

Основна мета розробки BiMOS ІВ і полягала у різкому зниженні споживаного струму в Z-стані виходів ІВ, призначених для проектування зовнішніх пристроїв мікропроцесорних систем. На рис. показана схема станом виходу, виконаного за BiMOS технології вхідний ланцюг, показана на рис. 5.34 а).

Невикористовувані входи ІС.

При проектуванні цифрових пристроїв на ІВ можуть використовуватися не всі входи. Виходячи з логіки роботи пристрою, що розробляється, на ці входи слід подати або логічний рівень 0, або рівень 1. Логічний рівень 0 як в ТТЛ, так і в КМОП ІС подається підключенням невикористовуваного входу до корпусу Логічний рівень 1 подається на входи, що не використовуються, підключенням їх до джерела напруги живлення (ТТЛ ІВ) або (КМОП ІВ), однак входи ТТЛ ІВ серій 54/74, , в яких використовуються багатоемітерні транзистори, рекомендується підключати до джерела живлення через струмообмежуючий резистор для захисту від стрибків напруги, що виникають, наприклад, при включенні живлення.

КМОП (комплементарна структура метал-оксид-напівпровідник) - технологія побудови електронних схем. У загальному випадку - КМДП (зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник). Відмінною особливістю схем КМОП у порівнянні з біполярними технологіями (ТТЛ, ЕСЛ та ін.) є дуже мале енергоспоживання у статичному режимі (у більшості випадків можна вважати, що енергія споживається лише під час перемикання станів )

Переважна більшість сучасних логічних мікросхем, зокрема процесорів, використовують схемотехніку КМОП. У технології КМОП використовуються польові транзистори із ізольованим затвором з каналами різної провідності.

У пристроях на мікросхемах КМОП цілком застосовні заходи боротьби з брязкотом, відомі з досвіду роботи з мікросхемами ТТЛ, наприклад, включення статичного тригера на двох елементах І-НЕ або АБО-НЕ. Однак надзвичайно високий вхідний опір мікросхем КМОП (порядку сотень і тисяч мегаом) і відносно високий вихідний опір (сотні ом - один кілоом) дозволяє спростити ланцюги придушення брязкоту, виключивши резистори. Варіантом схеми є пристрій, зібраний лише на одному неінвертуючому логічному елементі.

Тут слід сказати кілька слів про неінвертуючі логічні елементи серій КМОП. Більшість логічних елементів цих серій є інвертуючими. Як зазначалося вище, мікросхеми, що містять у своєму позначенні літери «ПУ», служать для узгодження мікросхем КМОП з мікросхем ТТЛ. Тому їх вихідні струми при подачі на їх виходи напруги живлення або з'єднанні виходів із загальним проводом в пристрої за схемами можуть досягати багатьох десятків міліампер, що негативно позначається на надійності пристроїв і може бути потужним джерелом перешкод. Великий вхідний опір мікросхем КМОП дозволяє в деяких випадках обійтися взагалі без активних елементів для придушення брязкоту.

Найбільш перспективними є серії, виконані на комплементарних МОП-транзисторах (КМОП) (К176, К564 та ін.). Вони відсутні навантажувальні резистори, а МОП-транзистори з різною електропровідністю каналів виконують роль ключів. При напрузі на затворах, більшому порогового, для транзисторів з каналом певного типу відповідний транзистор відчинений, а інший замкнений. При іншому більшому значенні порогового для транзисторів з електропровідністю протилежного типу відчинений і замкнений транзистори змінюються місцями. Такі структури успішно працюють при зміні в широких межах напруги джерела живлення (від 3 до 15), що недосяжно для логічних елементів, до складу яких входять резистори. У статичному режимі при великому опорі навантаження логічні елементи КМОП мало споживають потужності.

Для них також характерні: стабільність рівнів вхідного сигналу та мала його відмінність від напруг джерела живлення; високий вхідний та невеликий вихідний опору; хороша завадостійкість; легкість узгодження із мікросхемами інших серій.

Логічні елементи КМОП, що виконують функцію 3 І-НЕ. У ньому використані транзистори з індукованим каналом. Транзистори VT1-VT3 мають канал типу і відкриті при напрузі затворів, близьких до нуля. Транзистори мають канал-типу і відкриті при напругах затворів, великих порогового значення.

При нульовому вхідному сигналі хоча б на одному з входів логічного елемента один із транзисторів відкритий і вихідна напруга дорівнює Е. І тільки в тому випадку, якщо на всіх входах є сигнал логічної одиниці (зазвичай рівний Е), всі транзистори VT1 ​​- закриті, а ярусно увімкнені транзистори відкриті. Вихідна напруга дорівнює потенціалу загальної шини (логічний 0). Таким чином, поєднання ярусного включення транзисторів з каналами, що мають один тип електропровідності, паралельного з'єднання транзисторів з каналами іншого типу електропровідності дозволили реалізувати функцію І-НЕ.

Якщо групи ярусно і паралельно включених транзисторів поміняти місцями, буде реалізований елемент, виконує функцію. Він працює аналогічно до попереднього. Транзистори відкриті в тому випадку, якщо на затворах логічна 1, і замкнені при вхідних сигналах логічного 0.

З розглянутих схем видно, що у статичному режимі один із транзисторів, включених послідовно, завжди закритий, а інший відкритий. Так як закритий транзистор має великий опір, то струм в ланцюзі визначається лише малими значеннями струмів витоків і мікросхема практично не споживає електричної потужності.

Як базовий інвертор, що встановлюється на вході ЛЕ, зазвичай використовується ланцюг. Для запобігання пробою плівки оксиду під затворами МОП-транзисторів схему інвертора зазвичай доповнюють діодами, що виконують захисні функції. Постійна часу цих компонентів близько 10 не. Тому їхнє введення істотно не змінює динамічні характеристики логічних елементів. При попаданні в ланцюг входу статичної напруги тієї чи іншої полярності відповідні діоди відкриваються і закорочують на ланцюг джерела живлення джерело статичного заряду. Резистор, який разом з бар'єрними ємностями діодів утворює ланцюг, що інтегрує, зменшує швидкість збільшення напруги на затворі до значення, при якому діоди VD2, VD3 встигають відкритися.

Якщо джерело напруги має мінімальний внутрішній опір, то через діод при потече великий прямий струм. Тому при включенні апаратури з подібними логічними елементами напруга живлення повинна подаватися раніше за вхідний сигнал, а при вимкненні - навпаки. У тих випадках, коли допустиме деяке зниження швидкодії, ланцюг входу можна включати резистори, що обмежують вхідний струм на рівні.

У ряді мікросхем для збільшення крутості передавальної функції і підвищення здатності навантаження до виходу інвертора логічного елемента підключають один або два додаткових інвертора. Транзистори додаткового інвертора мають підвищену потужність. За рахунок них забезпечується зменшення опорів каналів відкритих вихідних транзисторів інвертора з ком до ком. Ці значення вихідних опорів дозволяють не вводити у вихідні ланцюги струмообмежуючі резистори, що захищають від короткого замикання на виході.

У логічних елементах КМОП дуже просто реалізують елементи з трьома стійкими станами. Для цього послідовно з транзисторами інвертора включають два комплементарні транзистори, керованих інверсними сигналами. Якщо при подачі сигналів транзистори закриті, вихідний опір інвертора має велике значення (інвертор знаходиться в третьому високоімпедансному стані).

Третій стан є в окремих мікросхем, наприклад, у логічних елементів типу, а також у складних функціональних вузлів серій КМОП.

Узгодження логічних елементів ТТЛ із логічними елементами КМОП можна виконати декількома способами:

1) живити логічні елементи КМОП малими напругами, при яких сигнали логічних елементів ТТЛ перемикають транзистори логічних елементів КМОП;

2) використовувати логічні елементи ТТЛ з відкритим колектором, у ланцюг виходу яких включено резистор, підключений до додаткового джерела напруги;

3) використовувати мікросхеми перетворювачів рівня за узгодженні серій КМОП із серіями ТТЛ і за погодженні серій ТТЛ із серіями КМОП).

При необхідності збільшити вихідну потужність допускається паралельне з'єднання кількох мікросхем. Для придушення перешкод ланцюга живлення між шинами живлення включають електролітичний конденсатор ємністю і паралельно йому керамічні конденсатори ємністю на корпус. Останні підключають безпосередньо до виходів мікросхем. Місткість навантаження, як правило, не повинна перевищувати. При більшому значенні ємності навантаження послідовно з виходом встановлюють додатковий резистор, що обмежує її перерозрядження. За наявності викидів напруги у вхідному сигналі послідовно з входом ЛЕ можна включити резистор обмежувальний номіналом до 10 кОм. Невикористані входи ЛЕ слід обов'язково підключати до шин джерела живлення або з'єднувати паралельно з підключеними входами. В іншому випадку можливі пробої діелектрика під затвором та порушення працездатності внаслідок сильного впливу перешкод.

Допускається короткочасне замикання вихідних затискачів мікросхем при малій напрузі живлення.

При зберіганні та монтажі слід побоюватися статичної електрики. Тому при зберіганні висновки електрично замикають між собою. Монтаж їх проводиться при вимкненому напрузі живлення, причому обов'язково використання браслетів, за допомогою яких тіло електромонтажників з'єднується із землею.

Логічні елементи КМОП-серій широко застосовуються при побудові економічних цифрових пристроїв малої та середньої швидкодії. Надалі у міру вдосконалення технології їх виготовлення вони можуть скласти конкуренцію для логічних елементів ТТЛ при створенні швидкодіючих пристроїв.

Зазвичай при конструюванні пробників та калібраторів використовують генератори коротких імпульсів, що виробляють сигнал із широким та рівномірним спектром. Такий сигнал дозволяє швидко перевіряти каскади радіоапаратури як низькочастотні (НЧ), так і високочастотні (ВЧ). Причому що менше тривалість імпульсів, то краще - спектр виходить ширше й рівномірніше.

Як правило, подібні генератори складаються з двох основних вузлів: власне генератор прямокутних імпульсів та формувач коротких імпульсів. Тим часом можна обійтися без спеціального формувача, оскільки він є в логічному елементі мікросхеми структури КМОП.

Розглянемо схему

Малюнок 4-RC-генератор

На малюнку 4 показаний відомий RC-генератор, що працює в даному випадку на частоті близько 1000 Гц (залежить від номіналів деталей R1, С1). Низькочастотний сигнал прямокутної форми надходить з виходу елемента DD1.2 (виведення 4) через ланцюжок R2C3 на змінний резистор R4 - їм плавно регулюють амплітуду сигналу, що подається на вузол, що перевіряється.

Вихід високочастотного сигналу (коротких імпульсів) виконаний трохи незвично - сигнал знімають зі змінного резистора R3, включеного в ланцюг живлення мікросхеми. Переміщенням двигуна цього резистора плавно регулюють рівень вихідного високочастотного сигналу.

Розглянемо принцип роботи такого формувача за спрощеною схемою логічного елемента структури КМОП, показаного малюнку 5.

Малюнок 5-спрощена схема логічного елемента структури КМОП

Його основа - два послідовно включені польові транзистори з ізольованим затвором і різним типом провідності каналів. Якщо послідовно з транзисторами включити резистор R1, але вхід елемента подавати прямокутні імпульси U1, відбудеться таке (рис. 3). Через те, що тривалість фронту імпульсу не може бути нескінченно малою, а також через інерційність транзисторів, у момент дії фронту настане такий момент, коли обидва транзистори виявляться у відкритому стані. Через них потече так званий наскрізний струм, значення якого може становити від одиниць до десятків міліампер залежно від типу мікросхеми та напруги джерела живлення. На резисторі формуватимуться короткі імпульси напруги U2. Причому як у момент дії фронту, і спаду.

Інакше висловлюючись, відбудеться подвоєння частоти вихідних імпульсів.

Опір резистора не повинен бути більшим, щоб уникнути порушення режиму роботи елементів мікросхеми. Це означає, що високочастотному виходу можна підключати низькоомне навантаження опором 50...75 Ом.

У розглянутого генератора максимальна амплітуда імпульсів на високочастотному виході становить 100...150мВ, а струм, що споживається від джерела живлення, не перевищує 1,6 мА. Генератор розрахований на використання під час перевірки підсилювачів ЗЧ, трипрограмних гучномовців, радіоприймачів на діапазонах ДВ та СВ.

структури КМОП

Польовий транзистор - напівпровідниковий прилад, через який протікає потік основних носіїв зарядів, регульований поперечним електричним полем, яке створюється напругою, прикладеною між затвором та стоком або між затвором та витоком.

Оскільки принцип дії польових транзисторів ґрунтується на переміщенні основних носіїв заряду одного типу (електронами чи дірками), такі прилади ще називають уніполярними, тим самим протиставляючи їх біполярним.

Польові транзистори класифікують на прилади з керуючим p-n-переходом та із ізольованим затвором, так звані МДП («метал-діелектрик-напівпровідник»)-транзистори, які також називають МОП («метал-оксид-напівпровідник»)-транзисторами, причому останні підрозділяють транзистори з вбудованим каналом та прилади з індукованим каналом.

До основних параметрів польових транзисторів відносять: вхідний опір, внутрішній опір транзистора, також зване вихідним, крутизну стокозатворної характеристики, напруга відсічення та деякі інші.

Польовий транзистор з керуючим p-n-переходом - це польовий транзистор, в якому пластина з напівпровідника, наприклад n-типу, має на протилежних кінцях електроди (стік та виток), за допомогою яких вона включена в керований ланцюг. Керуючий ланцюг підключається до третього електрода (затвора) і утворюється областю з іншим типом провідності, в даному випадку p-типом.

Джерело живлення, включений у вхідний ланцюг, створює на єдиному p-n-переході зворотну напругу. У вхідний ланцюг також включається і джерело коливань, що посилюються. При зміні вхідної напруги змінюється зворотна напруга на p-n-переході, у зв'язку з чим змінюється товщина збідненого шару (n-канал), тобто площа поперечного перерізу області через яку проходить потік основних носіїв заряду. Ця область називається каналом.

Відмінною особливістю структури КМОП у порівнянні з іншими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) є наявність як n-, так і p-канальних польових транзисторів; як наслідок, КМОП-схеми мають більш високу швидкість дії і менший енергоспоживання, проте при цьому характеризуються більш складним технологічним процесом виготовлення і меншою щільністю упаковки.

Логічні рівні КМОП мікросхем при 5-вольтовому харчуванні показані на рис.9.

Межі рівнів логічного нуля та одиниці для КМОП мікросхем при п'ятивольтовому харчуванні наведено на рис. 10.

Мал. 10. рівні логічних сигналів на вході цифрових КМОП мікросхем.

З малюнка 10 видно, що запас за рівнями спрацьовування для забезпечення завадостійкості у КМОП більше 1,1 В. Це майже втричі більше, ніж у ТТЛ.

При зменшенні напруги живлення межі логічного нуля та логічної одиниці зміщуються пропорційно до зміни напруги живлення.

Сімейства кмоп мікросхем

Перші КМОП мікросхеми не мали захисних діодів на вході, тому їх монтаж мав значні труднощі. Це сімейство мікросхем серії К172. Наступне покращене сімейство мікросхем серії К176 отримало ці захисні діоди. Воно досить поширене і зараз. Серія К1561 (іноземний аналог цих мікросхем - C4000В) завершує розвиток першого покоління КМОП мікросхем. У цьому сімействі було досягнуто швидкодії на рівні 90нс і діапазон зміни напруги живлення 3..15В.

Подальшим розвитком КМОП мікросхем стала серія SN74HC. Ці мікросхеми вітчизняного аналога немає. Вони мають швидкодію 27нс і можуть працювати в діапазоні напруг 2..6В. Вони збігаються за цоколівкою та функціональним рядом з ТТЛ мікросхемами, але не сумісні з ними за логічними рівнями, тому одночасно були розроблені мікросхеми серії SN74HCT (вітчизняний аналог - К1564), сумісні з ТТЛ мікросхемами та за логічними рівнями.

Саме тоді намітився перехід на тривольтове харчування. Для нього були розроблені мікросхеми SN74ALVC з часом затримки сигналу 5,5нс та діапазоном живлення 1,65..3,6В. Ці мікросхеми здатні працювати і при 2,5 вольтовому харчуванні. Час затримки сигналу збільшується до 9нс.

Найбільш перспективним сімейством КМОП мікросхем вважається сімейство SN74AUC з часом затримки сигналу 1,9нс та діапазоном живлення 0,8..2,7В.

Цифрові мікросхеми емітерно-пов'язаної логіки Загальні відомості про есл імс

Інтегральні мікросхеми на основі емітерно-пов'язаної логіки (ЕСЛ) набули широкого поширення як елементної бази швидкодіючої обчислювальної та радіоелектронної апаратури. Мікросхеми на основі ЕСЛ мають низку переваг, які забезпечили їхню перевагу перед іншими мікросхемами при побудові даного класу апаратури:

1. Гарна схемно-технічна відпрацьованість і, як наслідок, порівняно невисока вартість виготовлення.

Висока швидкодія при середній споживаній потужності або надвисока швидкодія при великій потужності.

Мала енергія перемикання.

Висока відносна завадостійкість.

Висока стабільність динамічних параметрів при зміні робочої температури та напруги живлення.

Велика здатність навантаження.

Незалежність струму споживання частоти перемикання.

Здатність ІМС працювати на низькоомні лінії зв'язку та навантаження.

Широкий функціональний набір мікросхем.

10. Зручність застосування в умовах підвищеної щільності компонування з використанням багатошарового друкованого монтажу та низькоомних коаксіальних та плоских кабелів.

В даний час ІС ЕСЛ є швидкодіючими мікросхемами на основі кремнію, що випускаються промисловістю як у нас в країні, так і за кордоном. Досвід проектування апаратури показує, що застосування ІС ЕСЛ оптимально для побудови швидкодіючих радіоелектронних пристроїв, зокрема ЕОМ високої швидкодії, і менш ефективно при розробці радіоелектронних пристроїв малої та середньої швидкодії.

Висока швидкодія обумовлена ​​тим, що у цих елементах транзистори працюють у ненасиченому режимі, у результаті виключається накопичення і розсмоктування неосновним носієм заряду.

Структурно базовий елемент ЕСЛ містить: джерело опорної напруги (ІОН), струмовий перемикач (ТП) та емітерні повторювачі.

В основу струмового перемикача на вході покладено схему з об'єднаними емітерами (рис.11). Головні її переваги: ​​сталість сумарного струму емітерів/е = 1 е 1 + I е2 у процесі роботи; наявність прямого та інверсного виходів Uвих1 , Uвих2 .

Мал. 11. Базовий логічний елемент ЕСЛ

До сучасних цифрових мікросхем ЕСЛ відносяться ІС серій 100, К100, 500, К500, 1500, KI500.

Типовий час затримки логічних елементів ІМС серії К1550 0,7нс, серії К500 0,5...2нс; серії 138 2,9 нс. ЕСЛ мікросхеми мають завадостійкість за напругою низького та високого рівнів не менше 125 мВ та 150 мВ, розкид вихідної напруги низького рівня 145...150 мВ, високого рівня 200 мВ. Амплітуда логічного сигналу U л до 800 мВ. ІМС серії 500 рівень інтеграції до 80 логічних елементів на кристалі; функціональний набір мікросхем - 48 модифікацій, споживана елементом потужність Р пот =8 ... 25мВт (у ненавантаженому стані), енергія, що споживається при перемиканні А = 50 пДж.

Базовий логічний елемент ІМС К500 завдяки наявності прямого та інверсного виходу одночасно виконує дві функції: АБО НІі АБО. У негативній логіці виконуються функції І/І-НЕ.Електрична схема базового елемента ЕСЛ складається з трьох ланцюгів (рис.12): струмового перемикача (ТП), вихідних емітерних повторювачів (ЕП) та джерела опорної напруги (ІОН).

Струмовий перемикач побудований на транзисторах VT 1- VT5 та резисторах R1- R7 і є диференціальний підсилювач, що працює в режимі ключа, що має кілька входів. Збільшення числа входів ТП досягається паралельним підключенням додаткових транзисторів вхідних VT 1- VT 4.

Базовий ЛЕ працює в такий спосіб. При поданні на всі входи схеми XI- X4 напруги низького рівня (-1,7 В) вхідні транзистори VT1- VT4 закриті, транзистор VT5 відкритий, оскільки напруга з його основі UВП = -1,3 вище.

Велика потужність, що споживається і розсіюється, є недоліками мікросхем ЕСЛ, що є наслідком їх роботи в ненасиченому режимі. Малий логічний перепад, з одного боку, підвищує швидкодію, а з іншого знижує стійкість до перешкод.