Логические элементы

 

На рисунке 1.9,б приведен вариант  логического элемента 2И-НЕ на транзисторах. Инвертор на транзисторе VT1 не обеспечивает большую нагрузочную способность, поэтому в качестве инверторов применяют более сложные схемы. Сложный инвертор в микросхемах транзисторно-транзисторной логики будет рассмотрен чуть позже. Сейчас остановимся на принципе работы инверторов, схемы которых приведены на рисунке 1.10.

 

 

 

Рассмотрим делитель напряжения (делитель напряжения источника питания) образованного резистором R3 и цепью коллектор-эмиттер транзистора VТ1 (рис.1.10,а). Если на входе элемента логическая единица (подвижный контакт переключателя SA1 в верхнем положении), то транзистор VT1 открыт и в его коллекторной цепи  протекает ток. Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора составляет десятые доли вольта (не более 0,4 В). При логическом нуле на входе элемента транзистор закрыт и напряжение на выходе элемента равно напряжению питания, что соответствует логической единице.

 

На рисунках 1.10,б и 1.10,в приведены  схемы инверторов с использованием полевых транзисторов. Напомним устройство и принцип действия полевых транзисторов.  Существуют следующие виды полевых  транзисторов: полевые транзисторы  с управляющим p-n переходом, полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом, полевые транзисторы с изолированным затвором с индуцированным каналом.  

 

Полевые транзисторы называются также  униполярными, одноканальными. Полевой  транзистор в отличие от биполярного имеет большое входное сопротивление по цепи управления. Ток в выходной цепи полевого транзистора управляется напряжением,  в то время как в биполярном транзисторе ток в выходной цепи транзистора управляется током  во входной цепи транзистора. Таким образом, мощность управления в полевом транзисторе значительно меньше, чем в биполярном.

 

Полевой транзистор имеет 3 вывода: исток, сток, затвор. Исток – это вывод  полевого транзистора, от которого основные носители заряда идут в канал. Сток – это вывод полевого транзистора, к которому идут основные носители заряда из канала. Затвор - это вывод полевого транзистора, на который подается управляющее напряжение относительно истока или относительно стока.

 

Наибольшее распространение имеют  схемы включения транзистора с общим истоком, когда управляющее напряжение подается на затвор  относительно истока.

 

В вычислительной технике в качестве электронных ключей широко используются полевые транзисторы с изолированным  затвором с индуцированным каналом. Рассмотрим устройство и принцип действия  полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа (рис. 1.11). В полупроводнике p-типа сделаны два кармана с проводимостью n-типа. Знак n+ указывает на большую концентрацию электронов, что делается для уменьшения сопротивлений выводов стока и истока. Металлический затвор изолирован от кристалла полупроводника.

 

 

 

При напряжении затвор-исток, равном  нулю, в цепи сток-исток ток не протекает  при любых допустимых напряжениях сток-исток, так как образуются два p-n  перехода, причем верхний подключен в обратном направлении.

 

Подадим на затвор относительно истока положительный потенциал.  В полупроводниках p-типа имеются неосновные носители заряда (электроны). Рассмотрим  движение электронов и дырок  в слое полупроводника p-типа, прилежащем к затвору. Для упрощения рассмотрения соединим область p-типа с выводом истока. Под действием электрического поля, обусловленного наличием напряжения затвор – исток, дырки будут  двигаться вправо, а электроны влево, т.е. в  полупроводнике в приграничной к затвору области концентрация дырок  уменьшается, а концентрация электронов увеличивается. При определенном напряжении затвор-исток в указанной области концентрация электронов станет больше концентрации дырок, наступит инверсия  проводимости, т.е. в приграничной к затвору области появится слой полупроводника n-типа. В этом случае в цепи сток-исток протекает ток, т.к. между выводами стока и истока появился канал n-типа. Этот канал называется индуцированным (наведенным).

 

Для понимания принципа работы логических элементов на полевых транзисторах необходимо знать, что собой представляет стоко-затворная характеристика полевого транзистора. Стоко-затворная характеристика полевого транзистора в схеме  включения с общим истоком (исток является общим для входной и  выходной цепи) - это зависимость тока  стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток. Эта характеристика полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа приведена на рисунке 1.12. Особенности стоко-затворных характеристик полевых транзисторов с изолированным затвором с индуцированным каналом позволяют использовать эти транзисторы в качестве электронных ключей. Сравним основные характеристики электронного ключа на полевом транзисторе с характеристиками механического ключа. Сопротивление разомкнутого механического ключа можно считать бесконечно большим (пока не наступит электрический пробой), сопротивление ключа на полевом транзисторе порядка 10 МОм. Когда контакты механического ключа замкнуты  сопротивление между контактами составляет сотые доли ома, для такого же состояния  полевого транзистора сопротивление между стоком и истоком сотни Ом.

 

 

 

Если на входе инвертора, схема  которого приведена на рисунке 1.10,б, напряжение логической единицы, то сопротивление между выводами сток и исток транзистора мало. Сопротивление резистора R1 выбирают значительно больше сопротивления между стоком и истоком открытого полевого транзистора и, следовательно, напряжение на выходе элемента будет близко к нулю вольт. При логическом нуле на входе логического элемента НЕ полевой транзистор будет закрыт, и на выходе элемента будет напряжение, примерно равное напряжению источника питания. Это обусловлено тем, что сопротивление резистора R1 выбирают во много раз меньше сопротивления между стоком и истоком закрытого транзистора.

 

Рассмотрим принцип работы инвертора (логического элемента НЕ) КМОП (комплиментарный, металл, окисел, полупроводник) структуры (рис. 1.10,в). Комплиментарный означает дополняющий друг друга по типу проводимости. Микросхемы КМОП имеют транзисторы как с каналом p-типа, так и с каналом n-типа. Учтем, что сопротивление между выводами сток-исток открытого транзистора - 200-300 Ом, а сопротивление между выводами сток-исток закрытого транзистора более 10 МОм.

 

Выберем напряжение питания 9 В. Пусть  на вход Х подано напряжение логического  «0», тогда транзистор VТ2 будет закрыт, а транзистор VТ1 открыт, так как  потенциал затвора транзистора VТ1 относительно истока этого же транзистора равен минус 9В. На выходе элемента логическая единица.

 

Подадим на вход Х напряжение, соответствующее  логической единице. Для рассмотренного случая это + 9 В относительно общего провода. В этом случае транзистор VТ2 будет открыт, а транзистор VТ1 – закрыт и на выходе элемента будет напряжение логического нуля.

 

Рассмотрим основные параметры, которыми характеризуются цифровые микросхемы.

 

Помехоустойчивость Uп, макс – наибольшее значение напряжения помехи на входе  микросхемы, при котором еще не происходит изменения уровней ее выходного напряжения.

 

Напряжение логической единицы U1 –  значение высокого уровня напряжения для "положительной" логики и значение низкого уровня напряжения для "отрицательной" логики.

 

Напряжение логического нуля U0 – значение низкого уровня напряжения для "положительной" логики и значение высокого уровня напряжения для "отрицательной" логики.

 

Пороговое напряжение логической единицы U1пор – наименьшее значение высокого уровня напряжения для "положительной" логики или наибольшее значение низкого уровня напряжения для "отрицательной" логики на входе микросхемы, при котором она переходит из одного устойчивого состояния в другое.

 

Пороговое напряжение логического  нуля U0пор – наибольшее значение низкого уровня напряжения для "положительной" логики или наименьшее значение высокого уровня напряжения для "отрицательной" логики на входе микросхемы, при котором она переходит из одного устойчивого состояния в другое.

 

Входной ток логической единицы I1вх – измеряется при заданном значении напряжения логической единицы.

 

Входной ток логического нуля I0вх – измеряется при заданном значении напряжения логического нуля.

 

Выходной ток логической единицы I1вых – измеряется при заданном значении напряжения логической единицы.

 

Выходной ток логического нуля I0вых – измеряется при заданном значении напряжения логического нуля.

 

Ток потребления в состоянии  логической единицы I1пот – значение тока, потребляемого микросхемой  от источников питания при логических единицах на выходах всех элементов.

 

Ток потребления в состоянии  логического нуля I0пот – значение тока, потребляемого микросхемой  от источников питания при логических нулях на выходах всех элементов.

 

Средний ток потребления Iпот. ср. –  значение тока, равное полусумме токов, потребляемых цифровой микросхемой от источников питания в двух устойчивых различных состояниях.

 

Потребляемая мощность в состоянии  логической единицы Р1пот – значение мощности, потребляемой микросхемой  от источника питания при логических единицах на выходах всех элементов.

 

Потребляемая мощность в состоянии  логического нуля Р0пот – значение мощности, потребляемой микросхемой  от источника питания при логических нулях на выходах всех элементов.

 

Средняя потребляемая мощность Рпот. ср. – полусумма мощностей, потребляемых микросхемой от источников питания в двух устойчивых различных состояниях.

 

Время перехода интегральной микросхемы из состояния логической единицы  в состояние логического нуля t1,0 – интервал времени, в течение  которого напряжение на выходе микросхемы переходит от напряжения логической единицы к напряжению логического нуля, измеренный на уровнях напряжения 0,1 и 0,9 от амплитуды импульса.

 

Время перехода интегральной микросхемы из состояния логического нуля в  состояние логической единицы t0,1 – интервал времени, в течение которого напряжение на выходе микросхемы переходит от напряжения логического нуля к напряжению логической единицы, измеренный на уровнях напряжения 0,1 и 0,9 от амплитуды импульса.

 

Время задержки распространения сигнала  при включении t1,0зд, р – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от напряжения логической единицы к напряжению логического нуля, измеренный на уровне 0,5 амплитуды.

 

Время задержки распространения сигнала при выключении t0,1зд, р – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от логического нуля к логической единицы, измеренный на уровне 0,5 амплитуды.

 

Среднее время задержки распространения  сигнала tзд, р.с. – интервал времени, равный полусумме времени задержки распространения сигнала при включении и выключении цифровой микросхемы.

 

Коэффициент объединения по входу Коб –  число входов микросхемы, по которым  реализуется логическая функция.

 

Коэффициент разветвления по выходу Краз – число единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы (единичной нагрузкой является один вход основного логического элемента данной серии интегральных микросхем).

 

Коэффициент объединения по выходу Коб.вых – число соединяемых между собой выходов интегральной микросхемы, при котором обеспечивается реализация соответствующей логической операции.

 

Сопротивление нагрузки Rн – значение активного  сопротивления нагрузки, подключаемой к выходу интегральной микросхемы, при котором обеспечивается заданное значение выходного напряжения (выходного тока) или заданное усиление.

 

Емкость нагрузки Сн – максимальное значение емкости, подключенной к выходу интегральной микросхемы, при котором обеспечиваются заданные частотные и иные параметры.

 

Синхронизация работы отдельных узлов ЭВМ и  других устройств цифровой техники  осуществляется периодическими последовательностями прямоугольных импульсов напряжения. Импульсом напряжения называют отклонение напряжения от первоначального значения в течение короткого промежутка времени. Последовательность импульсов, мгновенные значения которых повторяются через равные промежутки времени, называют периодической последовательностью импульсов. Участок импульса, на котором происходит изменение напряжения от начального уровня до конечного, называют фронтом импульса, а участок, на котором напряжение возвращается к исходному уровню, называется срезом импульса. Длительностью фронта импульса считают время нарастания напряжения от 0,1 Uм до 0,9 Uм, а длительностью среза – время изменения напряжения   от 0,9 Uм до 0,1 Uм, где Uм – амплитуда импульса. Когда говорят о длительности импульса, то необходимо указывать, на каком уровне от амплитуды импульса проводились измерения: на уровне 0,1 Uм или 0,5 Uм. Частота следования импульсов – это число импульсов в одну секунду. Период следования импульсов – это минимальное время, через которое повторяются мгновенные значения напряжения. Интервал времени между окончанием одного импульса и началом следующего называется паузой. Величину, равную отношению периода следования импульсов к длительности импульса, называют скважностью импульсов. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов при скважности 2 называется меандром. Прямоугольный импульс напряжения иногда рассматривают как совокупность двух перепадов напряжения. Перепады напряжения – это быстрые изменения напряжения между двумя уровнями. Перепад называют положительным, если напряжение изменяется от низкого уровня к высокому, и отрицательным, если напряжение изменяется от высокого уровня к низкому. Перепад напряжения, у которого длительность равна нулю,  называется скачком напряжения. 

 

 

 

На рисунке 1.13 показано, как определяется длительность фронта входного импульса tф, время  перехода интегральной микросхемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля t1,0, время перехода интегральной микросхемы из состояния логического нуля в состояние логической единицы t0,1, время задержки распространения при включении t1,0зд, р, время задержки распространения при выключении t0,1зд, р .