Краткие сведения из теории полупроводниковой электроники
В цифровой схемотехнике простейшие логические операции осуществляются с помощью логических элементов (ЛЭ). Широкое распространение получили интегральные схемы (ИС) транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Большинство ИС, выпускаемых промышленностью серийно, представляют собой ЛЭ, выполняющие функции НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и т.д.
Возможность использования ЛЭ в цифровой аппаратуре оценивается параметрами, основными из которых являются: Еп – номинальное напряжение источника питания, равное +5В для ТТЛ элементов;
Р пот – потребляемая элементом мощность от Еп;
U 0вх – входное напряжение «0»;
U 1вх – входное напряжение «1»;
U 0вых – выходное напряжение «0»;
U 1вых – выходное напряжение «1»;
U п – помехи статического напряжения;
Краз – нагрузочная способность;
Коб – коэффициент объединения по входу.
Для оценки большинства параметров ИС используют передаточную, входную и выходную характеристики ЛЭ [1,2].
Передаточная характеристика – это зависимость выходного напряжения от входного
U вых = F (U вх).
Входная характеристика – это зависимость входного тока от входного напряжения I вх = F (U вх). Выходная характеристика – это зависимость выходного напряжения от тока нагрузки (выхода) U вых = F (I н). По этой характеристике находят выходные токи и напряжения при различных режимах работы логического элемента. Совместное использование входной и выходной характеристик позволяет определить нагрузочную способность, коэффициент объединения по входу, а также входное и выходное сопротивления ЛЭ. Передаточная характеристика для ЛЭ с инвертированием входных сигналов и усилением по напряжению, к числу которых относятся элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, имеет два линейных участка, соответствующих уровням логического «0» и логической «1», и узкий переходной участок (см. рис. I). Переходный участок имеет пороговую точку А, являющуюся точкой пересечения передаточной характеристики с прямой единичного усиления (U вых = U вх). Передаточная характеристика совокупности однотипных логических элементов из-за отклонений параметров отдельных компонентов, обусловленных нестабильностью технологических процессов изготовления интегральных микросхем, представляет собой не одну кривую, а некоторую область, ограниченную сверху и снизу двумя граничными кривыми, показанными на рис. 2.
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема элемента И-НЕ:
а – на два входа; б – условное обозначение ЛЭ; в-нумерация выводов микросхемы
По этой характеристике можно определить запасы помехоустойчивости элемента, проведя под углом 45° (при условии равенства масштабов по осям координат) касательные к нижней и верхней граничным кривым передаточной характеристики (рис. 2).
Согласно рис. 2, запас помехоустойчивости по нулевому уровню на входе (допустимый уровень положительной помехи) равен ∆ U +п= U н- U вых макс. Запас помехоустойчивости по единичному уровню сигнала на входе или допустимый уровень отрицательной помехи на входе равен
∆ U -п = U 1вык мин – U пор.
На рис. 3, а представлена принципиальная электрическая схема элемента И-НЕ, являющегося базовым элементом ТТЛ. На рис. 3, б показано условное обозначение ЛЭ на принципиальных электрических схемах. (Выводы питания +5 В и общий провод допускается не показывать). На рис. 3, в-нумерация выводов микросхемы К155ЛА3 (4 логических элемента 2И-НЕ).
Принцип работы ЛЭ И-НЕ ТТЛ
Основная особенность микросхем ТТЛ состоит в том, что во входной цепи используется специфический интегральный прибор – многоэмиттерный транзистор (МЭТ), имеющий несколько эмиттеров, объединенных общей базой.
Эмиттеры расположены так, что непосредственное взаимодействие между ними через участок базы отсутствует. Поэтому МЭТ можно рассматривать как совокупность нескольких независимых транзисторов с объединенными коллекторами и базами. Такой транзистор занимает меньшую площадь, а следовательно, имеет малую паразитную емкость, благодаря чему предельное быстродействие микросхем ТТЛ выше. В зависимости от сигналов на входе, МЭТ работает в прямом (нормальном) либо в инверсном (обратном) включении. МЭТ имеет существенное различие в коэффициентах передачи тока в обоих режимах. В инверсном включении, когда напряжение на эмиттерах выше напряжения на коллекторе, коэффициент передачи тока очень мал (0,005 – 0,05).
При одновременной подаче на все входы ЛЭ сигналов с уровнем больше 2,3 В все эмиттерные р-n переходы МЭТ будут находиться в закрытом состоянии. При этом через резистор R1 и многоэмиттерный транзистор в базу транзистора VT2 поступает ток, открывающий этот транзистор. Часть тока эмиттера VT2 поступает в базу транзистора VT4, который также открывается. Транзистор VT3 при этом окажется в закрытом состоянии, т.к. напряжения, действующего на его базе, недостаточно для открытия перехода база-эмиттер транзистора VT3 и диода VD5. На выходе схемы сигнал будет иметь низкий уровень, что соответствует логическому нулю. Следует иметь в виду, что в аналогичном состоянии схема будет находиться, если все входы подсоединить к источнику электропитания (+Еп) или оставить их свободными.
Если хотя бы на один из входов подать сигнал с уровнем, меньшим 0,5 В, то транзисторы VT2 и VT4 окажутся закрытыми, т. к. ток базы МЭТ переключается через соответствующий открытый эмиттерный переход во входную цепь. Транзистор VT3 при этом будет открыт, а выходной сигнал будет соответствовать логической единице (высокий уровень). Схема будет находиться в этом же состоянии, если хотя бы один из входов соединить с общим проводом или соединить с другой схемой, имеющей сигнал логического нуля на выходе.
Следует отметить, что если вход ЛЭ никуда не подключен, т.е. «висит в воздухе», то это равноценно подключению его к высокому уровню.
Если один из входов подключен к «единице», а другой – к «нулю», то ЛЭ ТТЛ будет реагировать на низкий потенциал, т. к. он имеет приоритет перед высоким потенциалом.