Цифровые микросхемы

Полупроводниковая электроника берет свое начало в 194S г., когда группой разработчиков фирмы Bell был создан первый транзистор. Спустя 11 лет инженерами фирмы Texas Instruments была разработана первая микросхема, состоявшая всего из шести транзисторов, а в 1971 г. ныне всемирно известная фирма Intel разработала первый 4-разрядный микропроцессор 4004, содержавший более 2000 транзисторов. В дальнейшем микроминиатюризация электронных компонентов достигла таких темпов, что это послужило поводом для весьма образного сравнения в журнале Scientific American (1982 г.): "Если бы авиапромышленность в. последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как и промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет "Боинг-767" стоил бы 500 долларов и совершал облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 5 галлонов топлива". Поразительные результаты, достигнутые в микроэлектронике, стали возможны благодаря не только новейшим полупроводниковым технологиям, но и огромному багажу схемотехнических решений, накопленному в течение десятилетий многомиллионной армией разработчиков. Несмотря на поражающие воображение количества транзисторов, собранных на крошечных полупроводниковых кристаллах, следует все-таки помнить, что они представляют собой наборы из. простейших элементов, к рассмотрению которых мы и перейдем.

В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы (ИМС) подразделяются на серии (семейства), различающиеся физическими параметрами базовых элементов и их функциональным назначением. Наибольшее распространение получили ИМС, изготовляемые по ТТЛ- и КМОП-технологиям. (ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика с использованием биполярных транзисторов, КМОП — с использованием комплементарных МОП-транзисторов).

Первой была выпущена ТТЛ-серия SN74/SN54 (74 — коммерческая, 54 — для военных применений). Отечественным аналогом серии SN74 стала популярная в свое время серия 155. В1967 г. дополнительно разработаны семейства SN74H/54H (High speed — быстродействующая, отечественные аналоги — серии 131 и 130) и SN74L/54L (Low power — маломощная, аналоги — серии 158 и 136).

В 1969 г. разработана серия SN74S/54S (серии 531 и 530), в 1971 г. — серия SN74LS/54LS (серии 555 и 533), в 1979 г. — серия SN74F/54F фирмы Fairchild (FAST — Fairchild's Advanced Schottky TTL, серия 1531), в 1980 г. — серия SN74ALS/54ALS (серия 1533), в 1982 г. — серия SN74AS/54AS (в обозначениях серий S — Schottky, LS — Low power Schottky, ALS — Advanced Low power Schottky, AS — Advanced Schottky, Advanced — усовершенствованная). Использование диодов с барьером Шотки позволило значительно повысить быстродействие ИМС за счет предотвращения глубокого насыщения транзисторов в ключевом режиме. Приятной для разработчика особенностью всех перечисленных серий является полное совпадение номеров выводов и обозначения типа для ИМС одинакового функционального назначения. Например, если SN7472 — JK-триггер, то обозначение 72 будет сопутствовать ему во всех сериях. Этот же принцип используется и в отечественных ИМС, хотя тип здесь обозначается буквами. Заметим, что в EWB 5.0 для всех цифровых ИМС введена нумерация выводов, что существенно облегчает задачу определения их функционального назначения при сопоставлении с отечественными аналогами.

В библиотеке программы EWB используется только серия SN74.

Рассмотрим так называемые базовые элементы, из которых набираются самые сложные цифровые ИМС.

Схема базового элемента (вентиля) ТТЛ-серии показана на рис. 20, а. Она содержит три основных каскада: входной на транзисторе VT1, фазорасщепительный на транзисторе VT2 с возможностью реализации на нем функции ИЛИ и выходной усилитель на транзисторах VT3 и VT4.

В качестве транзистора VT1 используется многоэмиттерный транзистор, отсутствующий в библиотеке EWB. Принцип действия входного каскада легко понять, если переходы база-эмиттеры представить в виде диодов, как показано на рис. 20, б. Тогда очевидно, что если входные диоды (входы А, В) подключены к шине с высоким напряжением (4...5 В), то ток резистора R1 потечет через коллекторный диод в базу транзистора VT2. Если же хотя бы один из входных диодов подключен к земляной шине или к шине с низким напряжением, то таким же образом окажется подключенным и резистор R1. На базе транзистора VT1 при этом будет низкое напряжение (превышающее входное на величину напряжения база-эмиттер) и базовый ток транзистора VT2 станет равным нулю.

Таким образом, при высоких напряжениях на обоих входах на коллекторе транзистора VT1 также будет высокое напряжение; если же хотя бы на один из входов подано близкое к нулю напряжение, то на коллекторе VT1 установится низкое напряжение, а это означает, что входной транзистор выполняет логическую функцию И.

Фазорасщепляющий каскад выполнен на транзисторе VT2 и резисторах R2, R3 примерно равного сопротивления (около 0,25...0,33 от R1). При этом насыщение транзистора VT2 достигается уже при достаточно малом коэффициенте усиления тока. Когда на все логические входы схемы подано высокое напряжение, через переход база-коллектора транзистора VT1 в базу VT2 подается управляющий ток, в результате чего VT2 открывается. При этом напряжение в точке Е может возрасти только до напряжения база-эмиттер транзистора VT4, а напряжение в точке С (на коллекторе VT2) снизится до значения, равного сумме напряжений открытых диода VD и транзистора VT3. Если хотя бы на один из логических входов подается низкое напряжение (сигнал логического нуля), то транзистор VT1 открывается, отключая управляющий базовый ток транзистора VT2, в результате чего VT2 закрывается и через резисторы R2, R3 протекает только ток утечки, поэтому напряжения в точках Е и С близки к нулю и Ucc соответственно. Логическая функция ИЛИ может быть реализована при параллельном соединении двух или более подобных фазорасщепительных каскадов (в точках С и Е).

Основным транзистором выходного каскада является транзистор VT4. Когда на входы А, В (рис. 20, б) подано высокое напряжение, транзисторы VT2 и VT3 открыты. В этом случае напряжение в точке С будет равно, как указано выше, напряжению двух открытых р—n -переходов. Если временно исключить из рассмотрения транзистор VT4 и рассматривать только цепь, содержащую диод VD и транзистор VT3, то напряжение в точке S будет ниже напряжения в точке С на величину, равную напряжению на двух р—n -переходах. При этом напряжение на базе транзистора VT4 будет достаточным (именно за счет диода VD) для поддержания его в открытом состоянии, т. е. на выходе S будет действовать напряжение, равное напряжению насыщения транзистора VT4 (сигнал логического нуля).

Если хотя бы на один из входов вентиля А или В подано низкое напряжение, то транзисторы VT2 и VT4 закрыты. Через резистор R2 течет только ток утечки транзистора VT2, поэтому напряжение в точке С близко к напряжению питания Vcc, а потенциал в точке S ниже потенциала С на величину падения напряжения на двух открытых переходах. Падением напряжения на резисторе R2 от базового тока транзистора VT4 можно пренебречь. Таким образом, при наличии хотя бы на одном из входов вентиля низкого напряжения выходное напряжение вентиля ниже напряжения питания на падение напряжения на двух p—n -переходах. В различных сериях ТТЛ используются разные схемы выходных каскадов, однако всегда между шиной Ucc и выходом S имеются два последовательно включенных p—n -перехода. Резистор R4 служит для защиты транзистора VT3 при закорачивании выхода S на "землю".

Базовый элемент серии 54/74 (155) (рис. 21) немного отличается от рассмотренного (рис. 20). Основное отличие заключается в том, что диод VD включен в эмиттерную, а не в базовую цепь транзистора. На рис. 21 показан также подключенный к выходу мультиметр и имитатор входного сигнала, выполненный на ключе Z. В положении ключа, показанном на рисунке, на входе формируется сигнал логической единицы. При переводе ключа в другое положение вход вентиля подключается через резистор Ri к общей шине, в результате чего на входе вентиля формируется сигнал логического нуля.

а	б

Рис. 20. Базовая схема элемента ТТЛ-серии (а) и эквивалентная схема многоэмиттерного транзистора (б)

Рис. 21. Схема базового элемента серии 54/74

а	б

Рис. 22. Базовая схема инвертора (а) и элемента ИЛИ-НЕ (б) КМОП-серии

Рассмотрим теперь базовые элементы ИМС КМОП-серии. Простейшим элементом этой серии является КМОП-инвертор, схема которого показана на рис. 22, а. Она составлена из КМОП-транзисторов разного типа проводимости, транзистор n -типа подключен истоком к нулевому потенциалу, транзистор р -типа — к положительной шине источника питания. Схема реализует логическую операцию НЕ и обеспечивает работу в режиме положительной логики. В таком режиме работают большинство ИМС КМОП-серий.

Для реализации функции ИЛИ-НЕ (рис. 22, б) используется параллельное включение МОП-транзисторов n -типа и последовательное (ярусное) включение транзисторов р -типа. Кроме того, каждый из входных транзисторов n-типа связан по затвору с транзистором р -типа. Для реализации функции И-НЕ (рис. 23) параллельно включаются транзисторы р -типа и последовательно — транзисторы n -типа. При подаче на вход схемы ИЛИ-НЕ сигнала X1 высокого уровня откроется транзистор VT1 и закроется VT4. В результате на выходе схемы формируется низкий уровень напряжения. При подаче на оба входа (X1 и Х2) сигналов низкого уровня транзисторы VT1 и VT2 закрываются, но открываются транзисторы VT3 и VT4, в результате чего на выходе схемы напряжение будет близко к напряжению питания Ucc. Таким образом, перезаряд емкости нагрузки, подключаемой между выходным зажимом Y и общей шиной, всегда осуществляется через открытый Транзистор р - или n -типа, что повышает быстродействие схемы.

Мощность, потребляемая схемой на КМОП-транзисторах, расходуется в основном во время переходного процесса на заряд выходных паразитных емкостей схемы и собственных емкостей транзистора. Поэтому с увеличением частоты переключения, а также при увеличении выходной эквивалентной емкости потребляемая мощность возрастает в соответствии с выражением Р_дин = 2С F (U_cc)², где С — эквивалентная емкость нагрузки; F — рабочая частота; U_cc — напряжение источника питания.

В статическом режиме потребляемая мощность определяется напряжением питания и токами утечки закрытого МОП-транзистора. Для уменьшения мощности, потребляемой в динамическом режиме, необходимо в первую очередь снижать ёмкость нагрузки.

Минимальное напряжение питания схемы на КМОП-транзисторах определяется напряжением отпирания р-канального транзистора, так как оно больше, чем напряжение отпирания n -канального транзистора. Естественно, что напряжение питания выбирается больше напряжения отпирания. Это обеспечивает схеме на КМОП-транзисторах высокую помехоустойчивость и быстродействие.

Рис. 23. Схема базового элемента И-НЕ КМОП-серии

Схема И-НЕ на рис. 23 содержит имитатор входного сигнала на ключах А, В и мультиметр для проверки правильности функционирования схемы. В положении переключателей, показанных на схеме, на входы А, В подаются сигналы логической единицы. При этом транзисторы VT1, VT2 будут закрыты, а транзисторы VT3, VT4 — открыты и на выходе Y мультиметром будет фиксироваться низкий уровень сигнала логического нуля. Достаточно один из выключателей перевести в другое положение и один из двух нижних транзисторов закроется, при этом на выходе Y будет фиксироваться высокий уровень сигнала логической единицы, что и соответствует логике работы элемента И-НЕ.