Схема выключения входов (серии АВТ, MB)

Логические элементы на полевых транзисторах с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП)

Схема логического элемента ИЛИ-НЕ на МЕП-транзисторах (рис. 10.15) аналогична схеме элемента на n-канальных МОП-транзисторах. Полевые транзисторы типа металл-полупроводник аналогичны транзисторам с управляющим p-n-переходом, но обедненный слой формируется на границе металл-полупроводник (транзисторы такой структуры называют полевыми транзисторами с барьером Шоттки). В качестве нагрузочного транзистора используется нормально открытый МЕП-транзистор, а в качестве управляющих — нормально закрытые с пороговым напряжением около +0,2 В.

Рис. 10.15. Логический элемент ИЛИ-НЕ на МЕП-транзисторах

Если оба входных напряжения меньше порогового, транзисторы T1 и T2 закрыты, и уровень выходного сигнала близок к уровню напряжения питания. При появлении на одном из входов напряжения выше порогового, соответствующий ключевой транзистор открывается, и выход элемента переходит к низкому логическому уровню. Особенностью данного типа логических элементов является то, что транзисторы Т1 и T2 работают при прямом смещении на управляющем переходе металл-полупроводник, которое для барьера Шоттки обычно не превышает 0,5 В. Данное ограничение определяет низкие значения напряжения питания (обычно около 0,8 В) и логического перепада (около 0,5 В).

Быстродействие МЕП-логического элемента, как и простейших МОП-ключей, определяется временем перезарядки нагрузочного конденсатора. МЕП-логический элемент имеет существенно более высокое быстродействие при одинаковой потребляемой мощности и линейных размерах. Это объясняется меньшими значениями логического перепада и емкости затвор-исток. Интегральные схемы на МЕП-логических элементах обычно изготавливаются на подложках из арсенида галлия (GaAs). Подвижность электронов в канале GaAs МЕП-транзистора выше, чем у кремниевого МДП-транзистора, что обеспечивает возможность использования транзисторов с меньшей шириной канала и, соответственно, меньшей емкостью затвор-исток.

Сравнительная характеристика усредненных параметров логических элементов различных серий. 2.Функциональные усовершенствования современных серий микросхем стандартной логики.

20.1. Сравнительная характеристика усредненных параметров логических элементов различных серий.

На сегодняшний день в мире осталось пять наиболее заметных и известных производителей таких микросхем: Philips, Texas Instruments, Fairchild, STM и ON Semiconductor. Причём однозначным лидером, как и 30 лет назад, является Texas Instruments, первый разработчик 74/54-й серий.

В исторической ретроспективе существовало три класса микросхем логики: эмиттер – связанная логика (ЭСЛ), на комплементарных парах (КМОП) и транзисторно-транзисторная (ТТЛ) логика. Первая из них, представляемая в СССР 100, 500 и 1500 сериями (за рубежом ECL 10К/100К), была ориентирована на максимальное быстродействие, невзирая на потребляемую мощность и прочие неудобства. Был достигнут субнаносекундный диапазон, но появление быстродействующих ТТЛ-серий, а далее - мощных микропроцессоров - сделало бессмысленным дальнейшее развитие ЭСЛ-схем. КМОП-серии, базовой из которых для нас являлась К176, изначально были рассчитаны на минимально возможное энергопотребление. Быстродействие при этом, естественно, оставляло желать много лучшего. Серии ТТЛ, начиная с К155, занимали компромиссную между быстродействием и энергопотреблением нишу. Она и оказалась наиболее востребованной. В системе обозначений ТТЛ-схем используется сочетание "74". Следующие цифры обозначают функциональное обозначение. Чуть позже появились новые модификации ТТЛ-серий и дополнительные буквы для их идентификации. Например, 74LS00. Это маломощная серия с диодами Шоттки. Работа переключения характеризует физикотехнологический и схемотехнический уровень интегральных схем.

ТТЛ/ТТЛШ, ЭСЛ и МОП – не перспективные схемотехники. В настоящее время выпускаются микросхемы всех вышеуказанных 74-х серий, но со значительно сокращённым ассортиментом, в основном, для ремонта оборудования. Основные модификации микросхем стандартной логики первого поколения: Tзад от 3 до 9 нс; Uпит от 5 до 9В; Iпотр макс единицы милиампер.

КМОП-серии развивались в направлении повышения быстродействия. В конце концов, победила КМОП-технология. Последующие поколения стандартной логики выпускаются уже только по ней. Однако, по ряду причин, система обозначений сохранила в основе ключ "74". Таким образом, второе поколение микросхем стандартной логики выпускается по КМОП-технологии, но сохраняет полное функциональное соответствие с ТТЛ-сериями.

Распространенные серии микросхем стандартной логики второго поколения: Tзад от 6 до 25 нс; Uпит от 1 до 5В; Iпотр макс сотые милиампер.

HC- High-speed CMOS, HCТ- High-speed CMOS TTL compatible

AC – Advanced CMOS, AHC/AHCT – улучшенные быстродействующие КМОП

ABT – Advanced BiCMOS Technology – улучшенная биполярная КМОП технология.

Отличие между 74АС/АСТ, НС/НСТ и АНС/АНСТ заключается только в логических уровнях сигналов. Серии без буквы "Т" допускают питание в широком диапазоне напряжений, однако, уровни логических сигналов у них будут зависеть от этого напряжения. В сериях АСТ, НСТ и АНСТ логические сигналы всегда соответствуют стандартным ТТЛ-уровням при напряжении питания +5 В.

Для АВТ серии параметры "ЛА3" (74АВТ00) не слишком характерны. Более интересными в этой серии являются шинные формирователи и регистры. Так, для "АП5" (74АВТ244) и других подобных типономиналов выходной ток достигает -32/64 мА. Правда, собственное потребление в таких случаях возрастает до 30 мА при нулевом состоянии выходов.

Дальнейшее развитие и совершенствование микросхем стандартной логики происходит в направлении понижения напряжений питания. К сожалению, два главных разработчика - TI и Fairchild - придерживаются неидентичной системы обозначения новых серий. Отсюда их большое количество. Параметры серий ИС с пониженным напряжением питания: Tзад от 3 до 13 нс; Uпит от 1.36 до 5.5В; Iпотр макс сотые милиампер.

В зависимости от напряжения питания семейство логических серий можно условно разделить на две большие группы - пятивольтовые (с напряжением питания 5 В и выше) и низковольтовые (с напряжением питания, не превышающем 3,3 В). В таблицах 1 и 2 приведены основные технические характеристики этих групп.

Серии F и ALS считаются неперспективными и в ближайшее время будут сняты с производства. Очевидно, наилучшей заменой этим сериям можно считать АВТ, которая при том же напряжении питания имеет повышенное быстродействие, повышенную нагрузочную способность и пониженное энергопотребление. Серии 4000В и НС/НСТ, весьма популярные в России, уже не развиваются и в недалеком будущем также будут сняты с производства. В качестве перспективной замены этим сериям можно предложить АНС, более быстродействующую и с меньшим потреблением.

Наиболее перспективными, активно развивающимися сериями сегодня являются серии низковольтовой логики с малым потреблением и в миниатюрном исполнении. Это объясняется ростом популярности мобильных устройств с автономным питанием (например, сотовые телефоны). Именно поэтому большое внимание Philips уделяет разработке новых типов корпусов для поверхностного монтажа, позволяющих при той же функциональности существенно сократить объём готового изделия. Самые компактные из выпускаемых сегодня корпусов - это корпуса типа PICOGATE и LFBGA. Корпус PICOGATE (или SOT353) имеет габаритные размеры (с выводами) всего 2,2 х 2,2 мм.

20.2. Функциональные усовершенствования современных серий микросхем стандартной логики.

Выходные согласующие резисторы (серии АВТ, LVC, ALVC, ALVT, FBL)

Рис. Схема включения выходных согласующих резисторов

Резисторы, включённые в выходную цепь последовательно с цепью нагрузки для согласования импедансов выходного каскада и линии передачи, способствуют уменьшению амплитуды выбросов положительной и отрицательной полярности при переключении из одного логического состояния в другое. Это даёт возможность подключать выход микросхемы непосредственно к линии передачи без дополнительных внешних согласующих элементов (см. рис. 3).

Безопасное включение/выключение (серии АВТ, MB, LVC, LVT, ALVT, FBL)

Рис. Схема безопасного включения/выключения. ОЕ - вход разрешения 3-го состояния

Схема безопасного включения/выключения (см. рис. 4) принудительно переключает выходы микросхемы в состояние высокого импеданса в процессе включения или выключения напряжения питания, что гарантированно защищает выходные цепи от повреждения в тех случаях, когда внешние шины находятся под напряжением.

Фиксация входной шины (серии АВТ16, LVC, ALVC, LVT, ALVT)

Рис. Схема фиксации логического уровня входной шины

Схема фиксации входной шины (см. рис. 5) работает подобно триггеру и служит для запоминания последнего логического состояния шины после отключения источника входного сигнала. Это исключает возможность «плавания» входа и устраняет необходимость использования внешних резисторов.

Схема выключения входов (серии АВТ, MB)

Схема выключения входов отключает входные цепи всегда, когда выходы находятся в состоянии высокого импеданса, при этом изменение сигнала на входе не приводит к изменению внутреннего состояния логического элемента.

Защита при конфликте уровней на выходе (серии LVT, ALVT)

Рис. Схема защиты выхода при конфликте напряжений. ОЕ - вход разрешения 3-го состояния

Когда выход логического элемента находится в активном «высоком» состоянии, и напряжение на внешней шине превышает напряжение питания, срабатывает схема защиты, которая отключает транзистор в верхнем плече выходного полумоста для предотвращения его пробоя (см. рис. 6).

Наиболее разработанными с точки зрения функциональной полноты являются серии 4000В, НС/НСТ, F и ALS. Остальные серии находятся в процессе роста и развития, их состав постоянно расширяется.