Файл: Электроника Ицкович Часть 2.pdf

Добавлен: 23.10.2018

Просмотров: 5601

Скачиваний: 22

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

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

 
 
 
 
 


background image

 

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

 

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

 


background image

 

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

, а логической единице — напряжение вы-

сокого уровня 

1

НЕ 

ИЛИ 

И 

ИЛИ-НЕ 

И-НЕ 

а 

б 

в 

г 

д 

 

Рис. 8.1 — Обозначения логических элементов 


background image

 

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, аб
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-


background image

 

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

 

или 

1

  с  выхода  предыдущего  ЛЭ  поступает  на  вход  последую-

щего.  Входные  напряжения 

0

  и 

1

,  задаваемые  предыдущими 

ЛЭ, показаны на осях входных напряжений на рис. 8.2. 

 

 

U

0

П 

U

Л 

U

1

П 

3

 

U

ВЫХ 

U

U

0

 

2

 

1

 

U

U

U

1

ПОР 

U

0

ПОР 

U

ВХ 

а 

U

0

П 

U

Л 

U

1

П 

3

 

U

ВЫХ 

U

U

0

 

2

 

1

 

U

U

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