Техническая реализация ЛУ на цифровых микросхемах

Цифровые микросхемы, на которых строится техническая реализация логических устройств, выпускаются сериями. В составе каждой серии имеются объединённые по функциональному признаку простые и сложные устройства – логические, счётные, арифметические, элементы памяти и т.д. Микросхемы одной серии имеют единое напряжение питания, конструктивное исполнение, одинаковые уровни логического нуля и логической единицы. Чем разнообразнее функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать электрическая схема – техническая реализация логического устройства.

Основой любой серии микросхем является базовый логический элемент. Обычно базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ (штрих Шеффера) и ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса). Наибольшее распространение получили два типа: транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) и комплементарные структуры металл – окисел –полупроводник (КМОП) или металл – диэлектрик – полупроводник (КМДП).

На рисунке 20 представлена схема базового логического элемента ТТЛ.

Рисунок 20 – Схема базового логического элемента ТТЛ 2И-НЕ

На входе элемента включён многоэмиттерный транзистор VT1. Если на все входы элемента подать напряжение высокого уровня (логическую единицу), то эмиттерный переход VT1 будет закрыт. При этом ток, протекающий через резистор R1 и коллекторно-базовый переход VT1, откроет транзистор VT2. Ток, протекающий через транзистор VT2, будет создавать падение напряжения на резисторах R2 и R3, из-за которых закроются транзисторы VT3, VT4 и откроется транзистор VT5. В результате на выходе элемента будет низкий уровень напряжения (логический нуль). Если же хоть на один из входов подать логический нуль, то эмиттерный переход VT1 откроется, а транзисторы VT2 и VT5 закроются. Высоким уровнем напряжения с коллектора VT2 откроются транзисторы VT3, VT4, и на выходе элемента будет высокий уровень напряжения (логическая единица). Диоды VD1, VD2 защищают эмиттерный переход VT1 от выбросов напряжения отрицательной полярности, возникающих при переходных процессах.

Из курса дисциплины «Электроника» известно, что комплементарная пара полевых транзисторов (с разным типом проводимости канала: p-канал и n-канал) является «идеальным» переключателем напряжения. При подаче на вход такого переключателя высокого уровня +U (логической единицы) закрывается транзистор с p-каналом и открывается транзистор с n-каналом. На рисунке 21 представлены схемы базовых логических элементов И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ (б) микросхем серии КМОП.

а)

б)

Рисунок 21 – Схемы базовых логических элементов И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ (б) микросхем серии КМОП

Рассмотрим работу элемента И-НЕ. Логический нуль на выходе такого элемента будет только тогда, когда на всех входах Х2, Х1, Х0 будут высокие уровни напряжения. Если хотя бы на один вход, например Х0, поступает низкий уровень напряжения, то закроется транзистор с n-каналом VT6 и откроется транзистор с p-каналом VT1, через который на выход поступит высокий уровень напряжения. Аналогичные рассуждения можно провести и для элемента ИЛИ-НЕ.

К основным параметрам логических элементов цифровых микросхем относятся напряжение источника питания, уровни напряжений логического нуля и логической единицы, нагрузочная способность, помехоустойчивость, быстродействие, потребляемая мощность.

Напряжение источника питания. Микросхемы ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания 5 В±10%, микросхемы КМОП – 9 В±10% (серия К176) и 3-15 В (серия К561 и другие на её основе).

Уровни напряжений логического нуля и логической единицы. Различают пороговое напряжение логической единицы  - наименьшее напряжение высокого уровня на входе микросхемы и пороговое напряжение логического нуля  - наибольшее напряжение низкого уровня на входе микросхемы, при которых происходит переключение логических элементов. Для микросхем ТТЛ  = 2,4 В;  = 0,4 В. Для микросхем КМОП ; .

Нагрузочная способность – количество входов логических элементов, которые одновременно можно подключить к одному выходу без нарушения работы ЛУ. Количественно нагрузочная способность оценивается числом единичных нагрузок (коэффициентом разветвления). Единичная нагрузка – один вход базового логического элемента данной серии.

Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивается в статическом и динамическом режимах. Статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровня логического нуля, при котором не происходит изменения состояния по выходу элемента. Для микросхем ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, для микросхем КМОП – не менее 30% напряжения источника питания. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента.

Быстродействие количественно можно выразить через предельную рабочую частоту переключения базового логического элемента f_max, а также через время задержки распространения сигнала t_зд.

Потребляемая мощность для выходных сигналов логического нуля и логической единицы различна, поэтому потребляемая мощность в статическом режиме определяется как среднее значение этих величин. Для микросхем ТТЛ потребляемая мощность базового логического элемента составляет несколько мВт, для микросхем КМОП – несколько мкВт (в тысячу раз меньше).

Отдельно следует отметить надёжность микросхем, которая характеризуется интенсивностью частоты отказов базовых элементов. По статистическим данным интенсивность отказов составляет l = 1×10^-7 1/ч.

Среди микросхем ТТЛ можно выделить три группы:

- стандартные – серии 155, 133;

- быстродействующие – серии 530, 531, 1531;

- маломощные – серии 555, 533, 1533.

Сравнительные характеристики различных серий микросхем ТТЛ представлены в таблице 8.

Таблица 8 – Сравнительные характеристики базовых ЛЭ различных серий микросхем ТТЛ

Микросхемы КМОП можно разделить на две группы:

- быстродействующие – серии 561, 1561;

- стандартные – серия 176.

Сравнительные характеристики различных серий микросхем КМОП представлены в таблице 9.

Таблица 9 – Сравнительные характеристики базовых ЛЭ различных серий микросхем КМОП

Конструктивное исполнение микросхем может быть в пластмассовом корпусе (К) или в металлокерамическом (КМ). Для микросхем в пластмассовом корпусе допустимый интервал температур окружающей среды составляет от -5 до +30 ⁰С, в металлокерамическом - от -30 до +50 ⁰С. На рис. 1.6 были представлены условные графические изображения элементов 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ. В микросхемах ТТЛ и КМОП имеются различные варианты элементов, отличающиеся числом входов. Согласно ГОСТ 17467-79 цифровые микросхемы выпускаются в корпусе тип 201.14 (14 выводов) или тип 238.16 (16 выводов). Вид корпуса тип 201.14 представлен на рисунке 22.

Рисунок 22 – Вид корпуса цифровой микросхемы тип 201.14

Из 14 выводов два служат для подачи напряжения питания (+U_пит и Общ., обычно это выводы 14 и 7), а остальные 12 могут быть использованы для ЛЭ. Поэтому в одном корпусе можно разместить 4 элемента 2И-НЕ, 3 элемента 3И-НЕ, 2 элемента 4И-НЕ или один элемент 8И-НЕ. Поэтому при технической реализации ЛУ на заданном типе микросхем может возникнуть две ситуации:

- число входных переменных меньше числа входов ЛЭ;

- число входных переменных больше числа входов ЛЭ.

В первом случае у ЛЭ остаются свободные входы. На свободный вход можно подать неактивный уровень напряжения. Согласно теореме № 1 (таблица 7), для логического сложения это будет сигнал логического нуля, а для логического умножения – сигнал логической единицы. Можно также объединить свободный вход с входом, на который подан сигнал входной переменной. Частным случаем такого решения будет превращение многовходового элемента И-НЕ или ИЛИ-НЕ в инвертор, когда все входы элемента объединяются. Примеры таких действий представлены на рисунке 23.

Рисунок 23 – Пример действий, когда число входных переменных меньше числа входов ЛЭ: а – подача неактивного сигнала на элемент 3И-НЕ, б – подача неактивного сигнала на элемент 3ИЛИ-НЕ, в – превращение элемента 3И-НЕ в инвертор

Во втором случае у ЛЭ не хватает входов для всех входных переменных. В такой ситуации приходится преобразовывать схему ЛУ. Рассмотрим случай, когда на элементах 2И-НЕ требуется реализовать схему для трёх входных переменных. Схема такого ЛУ представлена на рисунке 24.

Сначала производится умножение с инверсией входных переменных Х2 и Х1 на элементе DD1.Получается результат . Затем сигнал с выхода элемента DD1 инвертируется элементом DD2, получается . Этот сигнал на элементе DD3 умножается на Х0. На выходе схемы получается требуемый результат .

Рисунок 24 – Схема для логического умножения трёх входных переменных на элементах 2И-НЕ

Схема для четырёх входных переменных строится по такому же принципу. Пример схемы представлен на рисунке 25.

Рисунок 25 – Схема для логического умножения четырёх входных переменных на элементах 2И-НЕ

Воспользовавшись предложенным принципом, можно построить схему для любого числа входных переменных. Аналогичные схемы можно построить и для элементов 2ИЛИ-НЕ.