Основные типы (технологии) базовых логических элементов. Сравнительная характеристика серий ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ, ИИЛ (СХЕМОТЕХНИКА)

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И—НЕ либо ИЛИ—НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы диодно-транзисторной логики (ДТЛ), резистивно-транзнсторной логики (РТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСТЛ), микросхемы на так называемых комплементарных МОП структурах (КОДП).

В радиолюбительской практике наибольшее распространение получили микросхемы ТТЛ серии К155 и КМОП (серий К176 и К561). Микросхемы ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания 5В±10%. Уровни логических 0 и 1 должны отличаться возможно больше. Для микросхем на КМДП структурах U¹пор³0,7Uпит; U°пор£0,3Uпит.

Структура КМОП (Комплеметарный Метал-Окисел-Проводник) является идеальным переключателем напряжения. Большая часть микросхем на КМОП структурах устойчиво работает при напряжении питания 3—15В, некоторые — при напряжении 9В±10%. Достоинство: малая потребительная мощьность. Недостаток: необходима защита от статического электричества.

Различают пороговое напряжение логической еденицы U¹пор — наименьшее напряжение высокого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логического 0 до уровня логической 1, а также пороговое напряжение логического нуля U°пop — наибольшее напряжение низкого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логической 1 до уровня логического 0. Для микросхем ТТЛ серий U¹nop=2,4В; U°пор=0,4В. Напряжение низкого и высокого уровней на выходе микросхем ТТЛ U¹вых³2,4 В; U°вых£0,4 В.

Способность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется нагрузочной способностью n. Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства.

Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровней логических 0 и 1, при котором состояние на выходе схемы не изменяется. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для микросхем серий КМДП не менее 30% напряжения питания.

Динамические параметры базовых элементов оценивают быстродействием tзд. Предельная рабочая частота микросхем ТТЛ серии К155 составляет 10 МГц, а микросхем серий К176 и К561 на КМДП структурах — лишь 1 МГц. Для микросхем серии К155 tзд.р.ср составляет около 20 нс, а для микросхем серии К176 — 200 нс.

Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях логического нуля (Р⁰) и логической единицы на выходе (Р¹). В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления. Статическая средняя мощность потребления базовых элементов серии К155 составляет несколько десятков милливатт, а у элементов серий К176 и К561 она более чем в тысячу раз меньше.

Важнейшим показателем микросхем является надежность. Ее характеризуют интенсивностью частоты отказов. Надежность цифровых устройств на микросхемах значительно превышает надежность аналогичных устройств на дискретных элементах.

ТТЛШ отличается от ТТЛ тем, что в цепь база-коллектор включается диод «Шотки». Диод обеспечивает не насыщение транзистора, что обеспечивает большую скорость переключения. Как только Uб станет > Uк на 0,2В ток начнет протекать от базы к коллектору минуя транзистор. Задержки ТТЛ=10нс, а ТТЛШ =3нс (для одного вентиля на транзисторе). К отличиям ТТЛШ от ТТЛ относятся: применение диодов и транзисторов Шотки; применение во входном каскаде диодов вместо многоэмитерного транзистора. Параметры элементы совпадают с ТТЛ.

Логический элемент ЭСТЛ (ЭСЛ - эмитарно-связаная логика)имеет наибольшее быстродействие достигающего субнаносекудного диапозона особеность ЭСЛ в том, что он основан на дифференциальном переключателе тока. Высокое быстродействие достигается за счет работы всех транзисторов в активном режиме, что позволяет исключить задержку с рассасыванием зарядов. Параметры серии: Uпит= -5.2В +/-5%, U⁰=-0.9В,U¹= -1.65В, I=0.5mА,Iвых=32mA, tзд=1…5нс.

ИИЛ используются в составе больших ИМС.