ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 7710
Скачиваний: 23
6
микросхемы являются элементами, т.е. простейшими неделимы-
ми единицами. В этом смысле они составляют элементную базу
радиоэлектронной аппаратуры. Критерием оценки сложности
микросхемы, т.е. числа N содержащихся в ней элементов и про-
стых компонентов, является степень интеграции. Она определя-
ется коэффициентом
lg
K
N
=
, значение
которого
округляется
до
ближайшего
большего
целого
числа
.
Так
,
микросхема
первой
степени
интеграции
(
К
=1)
содержит
до
10
элементов
и
простых
компонентов
,
второй
степени
интеграции
(
К
=2) —
свыше
10
до
100,
третьей
степени
интеграции
(
К
=3) —
свыше
100
до
1000,
ее
называют
большой
интегральной
микросхемой
(
БИС
).
Если
чис
-
ло
элементов
превышает
10000,
то
микросхему
называют
сверх
-
большой
(
СБИС
).
Микросхемотехника
(
интегральная
схемотех
-
ника
)
как
одна
из
основ
микроэлектроники
охватывает
исследо
-
вания
и
разработку
оптимальных
схем
.
Многие
современные
микросхемы
являются
очень
сложными
электронными
устройст
-
вами
,
поэтому
при
их
описании
и
анализе
используются
,
по
меньшей
мере
,
два
уровня
схемотехнического
представления
.
Первый
наиболее
детальный
уровень
—
это
электрическая
схема
.
Она
определяет
электрические
соединения
элементов
(
транзисто
-
ров
,
диодов
,
резисторов
и
др
.);
на
этом
уровне
устанавливается
связь
между
электрическими
параметрами
схемы
и
параметрами
входящих
в
нее
элементов
.
Второй
уровень
—
это
структурная
схема
.
Она
определяет
функциональное
соединение
отдельных
каскадов
,
описываемых
электрическими
схемами
.
По
функцио
-
нальному
назначению
микросхемы
подразделяются
на
цифровые
и
аналоговые
.
Цифровая
микросхема
предназначена
для
преобра
-
зования
и
обработки
сигналов
,
изменяющихся
по
закону
дискрет
-
ной
функции
.
В
аналоговых
микросхемах
сигналы
изменяются
по
закону
непрерывной
функции
.
Самый
распространенный
тип
аналоговых
микросхем
—
это
операционные
усилители
.
7
8.
ЛОГИЧЕСКИЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
НА
БИПОЛЯРНЫХ
ТРАНЗИСТОРАХ
Логическими
элементами
(
ЛЭ
)
называют
электронные
схе
-
мы
,
выполняющие
простейшие
логические
операции
Логические
элементы
используются
в
большинстве
цифровых
микросхем
с
элементами
памяти
.
Логические
элементы
отличаются
большим
разнообразием
.
В
данной
главе
описаны
наиболее
распростра
-
ненные
ЛЭ
на
биполярных
транзисторах
.
8.1
Классификация
логических
элементов
Логические
элементы
,
прежде
всего
,
классифицируют
по
выполняемым
ими
логическим
функциям
.
Логические
функции
изучаются
в
алгебре
логики
,
или
булевой
алгебре
.
Они
представ
-
ляют
собой
операции
над
логическими
переменными
,
которые
обозначим
Л
,
В
,
С
и
т
.
д
.
В
алгебре
логики
различные
логические
выражения
(
высказывания
)
могут
принимать
только
два
значе
-
ния
: «
истинно
»
или
«
ложно
».
Для
обозначения
истинности
или
ложности
высказываний
используют
соответственно
символы
1
или
0.
Каждая
логическая
переменная
может
принимать
только
одно
значение
: 1
или
0.
Все
возможные
логические
функции
любого
числа
логиче
-
ских
переменных
можно
образовать
с
помощью
трех
основных
операций
:
логического
отрицания
(
инверсии
,
операции
НЕ
),
ло
-
гического
сложения
(
дизъюнкции
,
операции
ИЛИ
)
и
логического
умножения
(
конъюнкции
,
операции
И
).
Инверсия
обозначается
знаком
«–»
над
переменной
,
например
B
A
=
.
Логическая
опера
-
ция
ИЛИ
для
двух
переменных
А
и
В
записывается
в
виде
С=А+ В
и
определяется
следующим
образом
:
С=1
,
если
A=1
,
или
В=1
,
или
А=В=1
.
Логическая
операция
И
для
двух
переменных
А
и
В
представляется
как
С=АВ, С=1
только
в
том
случае
,
когда
А=1 и
В=1
.
Комбинация
логических
операций
НЕ
и
ИЛИ
приводит
к
более
сложной
функции
ИЛИ-НЕ
(
)
C
A
B
=
+
.
В
этом
случае
зна
-
чения
,
принимаемые
логической
переменной
С
,
противоположны
ее
значениям
для
операции ИЛИ
.
Сочетание
операций
НЕ
и
И
да
-
ет
логическую
функцию
И-НЕ
C
AB
=
.
Логические
элементы
,
как
8
правило
,
реализуют
одну
или
несколько
из
перечисленных
выше
функций
НЕ, И,
ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
Условные
графические
обозначения
ЛЭ
,
выполняющих
эти
функции
,
представлены
на
рис
8.1.
Соединяя
соответствующим
образом
эти
ЛЭ
,
можно
по
-
лучить
микросхему
,
выполняющую
любую
более
сложную
логи
-
ческую
функцию
.
В
принципе
для
этого
достаточно
использовать
только
элементы
И-НЕ
или
ИЛИ-НЕ
,
поэтому
они
получили
наи
-
большее
распространение
в
микросхемах
.
Выше
были
приведены
логические
функции
двух
переменных
.
Для
их
выполнения
необ
-
ходимы
ЛЭ
с
двумя
входами
(
рис
. 8.1,
б
–
д
).
При
увеличении
чис
-
ла
логических
переменных
соответственно
возрастает
и
число
входов
,
их
может
быть
три
,
четыре
и
более
.
Логический
элемент
,
выполняющий
операцию
НЕ
(
рис
. 8.1,
а
),
называется
инвертором
.
Он
имеет
один
вход
и
один
или
несколько
выходов
.
В
последнем
случае
для
любого
из
k
выходов
выполняется
операция
(
)
1, 2,3,
i
B
A i
k
=
=
.
В большинстве логических элементов современных микро-
схем логические нули (лог 0) и единицы (лог 1) представляются
двумя существенно различающимися значениями напряжения
(потенциала). Логическому нулю обычно соответствует напряже-
ние низкого уровня
0
U , а логической единице — напряжение вы-
сокого уровня
1
U .
B
A
1
C
A
B
1
C
A
B
&
C
A
B
1
C
A
B
&
НЕ
ИЛИ
И
ИЛИ-НЕ
И-НЕ
а
б
в
г
д
Рис. 8.1 — Обозначения логических элементов
9
Логические элементы по режиму работы подразделяют на
статические и динамические. Статические ЛЭ могут работать как
в статическом, так и динамическом (импульсном) режимах. Ста-
тические элементы наиболее широко используются в современ-
ных микросхемах. Динамические ЛЭ могут работать только в
импульсном режиме. Логические элементы классифицируют
также по типу применяемых транзисторов. Наибольшее распро-
странение получили ЛЭ на биполярных и МДП-транзисторах.
Кроме того, интенсивно разрабатываются ЛЭ на арсенид-гал-
лиевых МЕП- и ГМЕП-транзисторах. Для каждого из перечис-
ленных типов ЛЭ существует большое число их схемотехниче-
ских и конструктивно-технологических разновидностей. Напри-
мер, к биполярным ЛЭ относятся элементы ТТЛ, эмиттерно-
связанной логики (ЭСЛ), рассмотренные в данной главе.
8.2
Основные
характеристики
и
параметры
логических
элементов
Основной статической характеристикой ЛЭ является пере-
даточная характеристика — зависимость выходного напряжения
ВЫХ
U
от напряжения на одном из входов при постоянных напря-
жениях на остальных входах, равных 0 или 1 в зависимости от
типа ЛЭ. По виду передаточной характеристики различают ин-
вертирующие и не инвертирующие ЛЭ. На выходе первых (НЕ,
И-НЕ, ИЛИ-НЕ и другие) получают инверсные по отношению к
входным логические сигналы, на выходах вторых (И, ИЛИ и др.) —
прямые. Передаточные характеристики инвертирующего и неин-
вертирующего ЛЭ представлены соответственно на рис. 8.2, а, б.
Они имеют три четко выраженных участка. Участок 1 соответст-
вует состоянию
0
ВЫХ
U
U
=
, участок 2 — состоянию
1
ВЫХ
U
U
=
.
Кроме того, имеется промежуточный участок 3, на котором со-
стояние ЛЭ не определено. В статическом режиме соответст-
вующие участку 3 значения напряжений недопустимы. Границы
участков определяются точками единичного усиления, в которых
выполняется условие
1
ВЫХ
ВХ
dU
dU
= . Входные напряжения,
определяющие границы участков, называются порогами пере-
10
ключения
1
ПОР
U
и
0
ПОР
U
. Разность напряжений лог 1 и лог 0 на-
зывают логическим перепадом.
Сложные логические функции реализуются с помощью раз-
ветвленных цепей, состоящих из ЛЭ. При этом выход одного ЛЭ
соединяют со входом другого. Поэтому логический сигнал
0
U
или
1
U с выхода предыдущего ЛЭ поступает на вход последую-
щего. Входные напряжения
0
U и
1
U , задаваемые предыдущими
ЛЭ, показаны на осях входных напряжений на рис. 8.2.
U
0
П
U
Л
U
1
П
3
U
ВЫХ
U
1
U
0
0
2
1
U
0
U
1
U
1
ПОР
U
0
ПОР
U
ВХ
а
U
0
П
U
Л
U
1
П
3
U
ВЫХ
U
1
U
0
0
2
1
U
0
U
1
U
1
ПОР
U
0
ПОР
U
ВХ
б
Рис. 8.2 — Передаточные характеристики
логических элементов
Помимо логических сигналов на входах могут появляться
напряжения помехи, которые либо повышают, либо понижают