ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 6056
Скачиваний: 13
31
падением напряжения на резисторе в коллекторной цепи опорно-
го транзистора при протекании выходного тока
1
ВЫХ
I
в нагрузке:
1
1
/(1
),
ВЫХ
K
Э K
U
I
R
nI R
= −
= −
+ β (8.12)
где
β — коэффициент передачи тока базы входного транзистора
следующего ЛЭ. Это напряжение снижается с ростом числа
нагрузок n, что ограничивает нагрузочную способность. По-
скольку опорный транзистор открыт и в его коллекторной цепи
протекает ток, то напряжение на прямом выходе
0
(
)
.
K
ВЫХ
ИП
ОП
БЭ
Э
R
U
U
U
U
R
≈ −
−
−
(8.13)
При напряжении
1
ВХ
U
U
=
на одном или нескольких входах
соответствующие входные транзисторы открыты, а опорный
транзистор закрыт. На инверсном выходе
0
.1
.1
ВЫХ
ВЫХ
U
U
=
, где
0
1
,
ВЫХ
Э K
U
I R
≈ −
(8.14)
т. е. напряжение низкого уровня на инверсном выходе уменьшает-
ся при росте входного напряжения, поскольку увеличивается ток
I
э.
При этом на прямом выходе
1
ВЫХ
U
U
=
.
Для элементов МЭСЛ характерен малый логический перепад
U
Л
= 0,3...0,5
В. Средний порог переключения получают из условия
пор
U
= –U
оп
= –0,5U
л
. Опорное напряжение задают от специальной
схемы, размещаемой на том же кристалле и используемой для
многих ЛЭ. В этой схеме предусматривают компенсацию измене-
ний напряжений эмиттер—база входных и опорного транзисторов.
Особенность применения элементов МЭСЛ — использование от-
рицательного напряжения питания. При этом значительно ослаб-
ляется влияние изменений напряжения
U
ИП
на уровни напряжений
0
U
и
1
U
, что особенно важно для элементов с малым логическим
перепадом. Вследствие малого логического перепада элементы
МЭСЛ имеют сравнительно низкую помехоустойчивость. Нагру-
зочная способность, как отмечалось выше, ограничена понижени-
ем напряжения
1
U
при росте тока нагрузки:
n =
4...5. Типичные
значения напряжения питания — (2...3) В. Потребляемая мощ-
ность практически одинакова для обоих состояний ЛЭ, поскольку
ток
I
Э
почти не изменяется при переключении:
.
СР
ИП Э
P
U
I
=
(8.15)
32
Схема элемента МЭСЛ симметрична, поэтому напряжение
на прямом выходе при переключении изменяется так же, как и на
инверсном, но в противофазе.
Для повышения быстродействия элементов МЭСЛ необхо-
димо уменьшать барьерные емкости р
-n
переходов, паразитные
емкости проводников, сопротивление базы, ограничивать число
нагрузок и увеличивать граничную частоту транзисторов. Все это
достигается совершенствованием конструкции и технологии из-
готовления микросхем. Уменьшение сопротивления
R
k
ограниче-
но увеличением потребляемой мощности. Элементы МЭСЛ ис-
пользуют в сверхбыстродействующих БИС, где обеспечены ма-
лые уровни помех и небольшие паразитные емкости. При относи-
тельно большой емкости нагрузки (С
Н
>
10 пФ) и (или) большом
числе нагрузок (
n >
10) в сверхбыстродействующих цифровых
микросхемах применяют более сложные элементы ЭСЛ. Схема
такого элемента ЭСЛ приведена на рис. 8.19. Она содержит до-
полнительно два выходных эмиттерных повторителя на транзи-
сторах
V
Т
ЭП
и резисторы
R
ЭП
. В остальном эта схема совпадает со
схемой элемента МЭСЛ и выполняет те же логические функции
Выход 1 — инверсный, на нем реализуется функция ИЛИ
-
НЕ
F
1
= A
B
+
,
выход 2 — прямой, ему соответствует логическая
функция
ИЛИ
F
2
= A
B
+
.
Принципы работы элементов ЭСЛ
и МЭСЛ аналогичны, однако их основные параметры заметно
различаются. Благодаря использованию эмиттерных повторите-
лей и большему напряжению питания (
U
ИП
= –5
В), элементы
ЭСЛ по сравнению с элементами МЭСЛ имеют большие логиче-
ский перепад, помехоустойчивость, нагрузочную способность,
допустимую емкость нагрузки, потребляемую мощность, сред-
нюю задержку и площадь, занимаемую на кристалле. Передаточ-
ные характеристики элемента ЭСЛ при Т
=
25 °С для инверсного
1 и прямого 2 выходов представлены на рис. 8.20.
Эмиттерные повторители, во-первых, выполняют функцию
согласующих схем смещения уровня выходного напряжения,
предотвращающих режим насыщения входных транзисторов
последующих ЛЭ. Действительно, выходные напряжения
1
U
элемента ЭСЛ (рис. 8.20) оказываются ниже выходных напряже-
ний
1
U
элемента МЭСЛ на величину прямого напряжения
1
БЭ
U
33
на эмиттерных переходах транзисторов
V
Т
'
ЭП
.
Во-вторых, эмит-
терные повторители ослабляют зависимость уровня напряжения
1
U
от числа нагрузок. С ростом числа нагрузок увеличивается
выходной ток, а уровень
1
U
понижается вследствие увеличения
падения напряжения на резисторе
R
К
.
Однако базовый ток тран-
зистора, протекающий через этот резистор, в
β
+
1
раз меньше
выходного тока. Поэтому нагрузочная способность элементов
ЭСЛ значительно выше, чем элементов МЭСЛ —
n =
10
÷20.
В-третьих, эмиттерные повторители позволяют увеличить
логический перепад (до
U
л
=
0,8 В при Т
=
25 °С), что невозмож-
но в элементах МЭСЛ из-за перехода входных транзисторов в
режим глубокого насыщения. Благодаря большему логическому
перепаду возрастает помехоустойчивость. Наряду с этим мощ-
ность, потребляемая элементом ЭСЛ, в 3—5 раз выше, чем
МЭСЛ, так как дополнительная мощность потребляется эмиттер-
ными повторителями и элементы ЭСЛ используются при боль-
шем напряжении питания
U
ИП
=
–(4…5) В
.
Рис. 8.19 — Схема сложного элемента МЭСЛ
–1,6
–U
ОП
–0,4
U
1
U
ВЫХ
–0,8
–1,6
U
1
1
2
U
ВХ
Рис. 8.20 — Передаточные характеристики
сложного элемента МЭСЛ
Выход2
Выход1
–U
ИП
R
ЭП
VT
ВХ1
VT
ВХ2
VT
ЭП
VT
ЭП
VT
ОП
R
K
R
K
R
Э
R
ЭП
A
B
F
1
=А+B
F
2
=А+B
34
Для уменьшения потребляемой мощности эмиттерные по-
вторители могут подключаться к источнику питания с меньшим
напряжением, например –2 В. При заданной мощности элемента
ЭСЛ можно перераспределять ее между переключателем тока
и эмиттерными повторителями, изменяя отношение сопротивле-
ний
R
К
/R
ЭП
. При этом, вследствие больших значений потребляе-
мой мощности и площади, занимаемой на кристалле, элементы
ЭСЛ с эмиттерными повторителями применяются в сверхбыст-
родействующих цифровых микросхемах малой и средней степе-
ней интеграции. При потребляемой мощности Р
cр
=
10—20 мВт
эти элементы ЭСЛ имеют
t
зд
ср
— 0,5…1 нс.
Вопросы
для
самопроверки
1.
Какие логические операции Вы знаете.
2.
Назовите типы классификаций логических элементов.
3.
Основные характеристики логических элементов.
4.
Что понимается под пороговыми напряжениями?
5.
Объясните понятие «помехозащищенность логического
элемента».
6.
Назовите основные параметры логических элементов.
7.
Чем характеризуется быстродействие логических элементов.
8.
Нарисуйте простейшую схему ТТЛ.
9.
Объясните принцип работы простейшей схемы ТТЛ на
физическом уровне.
10.
Укажите основные недостатки простейшей схемы ТТЛ.
11.
Нарисуйте схему ТТЛ со сложным инвертором.
12.
Объясните работу ТТЛ со сложным инвертором на фи-
зическом уровне.
13.
Достоинства ТТЛ со сложным инвертором.
14.
Основные достоинства и недостатки ТТЛ.
15.
Нарисуйте схему токового ключа и объясните назначе-
ние генератора тока в цепи эмиттеров.
16.
Объясните работу токового ключа.
17.
Нарисуйте принципиальную схему элемента малосиг-
нальной эмиттерно-связанной логики (МЭСЛ).
18.
Проанализируйте работу элемента МЭСЛ.
35
19.
Основные недостатки элемента МЭСЛ и его передаточ-
ная характеристика.
20.
Нарисуйте базовый элемент ЭСЛ и объясните в чем его
достоинства по сравнению с элементом МЭСЛ.
21.
Основные достоинства и недостатки ЭСЛ по сравнению
с ТТЛ.
22.
Начертите эпюры входных и выходных сигналов.