Определение основных понятий и терминов.

Цель работы

Ознакомление с практическими схемами различных интегральных элементов.

 

Логическими элементами называют электронные схемы выполняющие простейшие логические операции, поэтому прежде всего их классифицируют по выполняемым логическим функциям. Эти функции представляют собой операции над переменными которые обозначим A, B, C и т.д. В алгебре логики различные логические выражения могут принимать только два значения: «истинно» ил «ложно». Для обозначения истинности или ложности высказываний используют соответственно символы 1 или 0. Каждая логическая переменная может принимать только одно значение: 1 или 0.

Логические элементы, как правило, реализуют одну или несколько из перечисленных выше функций: НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Соединяя соответствующим образом эти ЛЭ, можно получить микросхему, выполняющая любую более сложную логическую функцию.

 

 

Выходная характеристика – это зависимость выходного напряжения U от выходного тока I при заданных постоянных напряжениях на входах. В общем случае таких характеристик может быть две: для напряжения низкого уровня на выходе U=f(I⁰) и для напряжения высокого уровня на выходе U¹=f(I¹), где I⁰ и I¹ – выходные токи низкого и высокого уровня.

Нагрузочная способность n характеризует максимальное число входов других ЛЭ, аналогичных рассматриваемому, которые одновременно можно подключить к его выходу. Чем выше нагрузочная способность, тем меньше число ЛЭ необходимо для построения сложной цифровой схемы. Однако увеличение нагрузочной способности ограниченно, поскольку с ростом числа нагрузок ухудшаются другие основные параметры главным образом помехоустойчивость и быстродействие. Помехоустойчивость ЛЭ на биполярных транзисторах уменьшается с ростом числа нагрузок, так как увеличиваются выходные токи в обоих состояниях, а это приводит к снижению уровня напряжения U¹ и повышению уровня U⁰. Среднее время задержки распространения сигнала через ЛЭ возрастает вследствие увеличения емкости нагрузки.

Потребляемая мощность ЛЭ зависит от его логического состояния, так как изменяется ток в цепи питания. ЛЭ потребляет ток I⁰ при U=U⁰ и ток I¹ при U – U¹. Мощность, потребляемая дополнительно в процессе переключения, называют динамической. Она пропорциональна частоте переключения ЛЭ. Поэтому динамическую мощность определяют при заданной рабочей частоте, близкой к максимальной.

Сокращение КМОП — начальные буквы из полного определения: комплементарные полевые транзисторы со структурой металл-окисал-полупроводник. Гак называют пару транзисторов, сходных по абсолютным значениям параметров, но с разными полупроводниковыми структурами. В биполярной схемотехнике это транзисторы п-p-n и р-п-р, в полевой р- канальные и п- канальные.

Рассмотрим схемы электрические логических элементов.

1. Транзисторно-транзисторные НС. Базовым логическим элементом является схема, реализующая функцию 2И-НЕ. Цифра 2 указывает на количество входов в элементе.

 

 

2. Транзисторно-транзисторные ИС с диодами Шоткн (ТТЛШ). В качестве активных элементов в ИС ТТЛШ использованы транзисторы с диодами Шотки, диоды Шотки и в отдельных узлах транзисторы без диодов Шотки. Чтобы транше юр не входил в насыщение, между его базой и коллектором включают диод.

 

Рис.4.1 Транзистор с диодом Шотки (а) и транзистор Шотки (б).

Идеальным диодом является диод с барьером Шотки. Он представляет собой контакт металл-полупроводник, образованный между металлом и слегка легированным п-полупроводником. В металле только часть электронов (те, что находятся вне зоны валентности) являются свободными. В полупроводнике свободные зоны существуют на границе проводимости, созданной добавлением атомов примеси. При нулевом напряжении смещения число электронов, пересекающих барьер с обеих сторон, равно, т.е. ток отсутствует. При прямом смещении электроны обладают тепловой энергией для пересечения потенциального барьера и прохождении в металл. С увеличением напряжения смещения ширина барьера уменьшается и прямой ток быстро возрастает.

Когда диод Шотки смещен в обратном направлении, электронам в полупроводнике требуется больше энергии для преодоления потенциального барьера. Для электронов в металле потенциальный барьер не зависит от напряжения смещения, поэтому протекает небольшой обратный ток, который не увеличивается до тех пор, пока не произойдет лавинный пробой.

Ток в диодах Шотки определяется основными носителями, тогда как в р-п переходе он обусловлен неосновными носителями заряда. В результате запас не основных носителей заряда ограничивает время переключения р-n перехода. Среди диодов одной и той же площади диод Шотки, независимо от типа используемого металла имеет более значительный ток при одном и том же прямом смещении.

 

 

3. Эмиттерно- связанная логика (ЭСЛ). В основе электрических схем ЭСЛ лежат быстродействующие транзисторные каскады: с эмиттерной противосвязью, с общей базой и общим коллектором. Сочетание двух первых каскадов образует токовый переключатель, являющийся схемотехнической и логической основой ЭСЛ элемента. Электрическая схема базового ЭСЛ элемента 2И-НЕ состоит из трех цепей: токового переключателя (ТП), выходных эмиттерных повторителей (ЭП) и источник опорного напряжения (ИОН).

 

Рис.7. Схема базового элемента ЭСЛ.

 

4. КМОП логические элементы. В этих элементах используются пары MOП - транзисторов с каналами разных типов (р и п), включенных последовательно с источником питания. При этом затворы парных (комплементарных) транзисторов - объединяются. В результате при любом входном сигнале (0 или 1) один из транзисторов открыт, а другой закрыт и энергия от источника питания не отбирается. Энергия отбирается только в момент переключения, чем и высокая экономичность.