Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

Цифровая схемотехника

Рассылка закрыта

При закрытии подписчики были переданы в рассылку "Электронные новости от Мастер Кит" на которую и рекомендуем вам подписаться.

Вы можете найти рассылки сходной тематики в Каталоге рассылок.

←   Ноябрь 2002   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Автор
Оксана Глебова

Статистика

5.401 подписчиков
+1 за неделю
←   Все выпуски   →

Внутреннее устройство логических микросхем.


Информационный Канал Subscribe.Ru
Цифровая схемотехника
Почтовая рассылка
Выпуск №6 от 7.11.2002 г.

Добрый день уважаемый подписчик!

Сегодня я хочу поговорить о том, как же устроены логические микросхемы изнутри? Самый простейший логический элемент можно собрать на обыкновенных диодах. Правда, на диодах можно собрать только схему "И". К тому же такая схема не обладает усилительными свойствами, и сигнал на выходе неизбежно будет ослабляться, что недопустимо для цифрового устройства. Поэтому после схемы на диодах все равно придется поставить каскад на транзисторах. Ниже приведена схема реальной микросхемы К121ЛБ2А, производимой советской промышленностью в 70-х годах.

На этом рисунке изображена схема внутреннего устройства микросхемы (слева), и ее схемное обозначение (справа). Логика работы схемы обеспечивается входной частью схемы, состоящей из диодов VD1 - VD3 и резистороа R1. На входы X1 - X3 подаются логические сигналы. Каждый из них может принимать либо единичное, либо нулевое значение. Логическая единица - это, когда на входе напряжение, близкое к напряжению питания. Логический ноль - это когда напряжение на входе равно нулю (то есть вход соединен с общим проводом). Как видим, у рассматриваемого элемента три входа и один выход. Вход XX предназначен для расширения (подключения одного или нескольких внешних диодов).
Рассмотрим принцип работы схемы. Достаточно соединить любой из входов с общим проводом (подать на вход сигнал логического нуля), как соответствующий диод откроется положительным напряжением, поступающим через резистор R1. При этом напряжение в точке соединения всех диодов упадет до уровня остаточного напряжения на открытом диоде. Диод VD4 закроется более высоким положительным напряжением на эмиттерном переходе VT1 и резисторе R4. Транзистор VT1 закроется. Далее, верхнее плечо двухтактного выходного каскада откроется, а нижнее закроется. В результате на выходе установится напряжение, близкое к напряжению питания (то есть логическая единица). Пока хотя бы на один из входов приходит сигнал логического нуля, положение не изменится. И только тогда, когда на все входы будет подан сигнал логической единицы, либо они все будут просто отключены и "висеть в воздухе", точка соединения диодов перестанет "садиться" на землю и напряжение в ней поднимется. Диод VD4 откроется. По цепи плюс источника, резистор R1, диод VD4 на базу транзистора VT1 потечет ток, который откроет этот транзистор. Верхнее плечо выходного каскада закроется. Нижнее откроется. И на выходе появится низкое напряжение, соответствующее логическому нулю.
Обратите внимание, что в этом состоянии открытый транзистор VT4 обеспечивает замыкание на общий провод входов подключенных к нему последующих элементов.

Такое схемное решение получило название "Диодно-транзисторная логика". Схема имеет множество недостатков. Слабая чувствительность. Низкое быстродействие. В настоящее время такая технология давно не используется. Правда иногда, в некоторых современных схемах можно увидеть так называемое "схемное ИЛИ", собранне из дискретных элементов (диодов и резистора). Диоды включаются по схеме, аналогичной входной цепи схемы диодно-транзисторной логики (VD1 - VD3 и R1) на вышеприведенной схеме. При этом на диоды подаются входные сигналы, а выход (точка соединения всех диодов) подключается к любому входу, какого либо логического элемента. Такое решение помогает иногда сэкономить корпус-другой цифровых микросхем.

Более современные микросхемы строятся по технологии "Транзисторно-транзисторной логики" (она еще называется TTL-технология). Вот пример такой микросхемы:

Это тоже реальная микросхема К155ЛБ2. Элемент "8И-НЕ". Как видно из схемы, Транзисторно-транзисторная логика - это усовершенствованная диодно-транзисторная. Только вместо "схемного ИЛИ" на диодах применяется уникальный радиоэлемент: многоэмиттерный транзистор. Такой радиоэлемент не выпускается в дискретном исполнении. Многоэмиттерные транзисторы существуют только в интегральном исполнении, то есть как один из элементов на кристалле микросхемы. Работает этот чудо-транзистор очень похоже на схему на диодах. Достаточно соединить один из эмиттеров транзистора с общим проводом, как через резистор в цепи базы, базу многоэмиттерного транзистора и соответствующий эмиттерный переход потечет ток. Транзистор откроется и откроет последующий каскад. Дальше работа этой схемы полностью аналогична работе предыдущей. Благодаря использованию вместо диодов транзистора, чувствительность входов элемента повышается. Что ведет к более надежному срабатыванию и повышению скорости работы всей микросхемы. Диоды, стоящие параллельно каждому входу, выполняют защитную функцию. Они предохраняют входы от отрицательных выбросов напряжения, которые в случае отсутствия такой защиты, могли бы вывести многоэмиттерный транзистор из строя.

В настоящее время TTL технология широко распространена. Ее достоинство - высокое быстродействие. Главный же ее недостаток - большая потребляемая мощность. Для цифровых устройств, требующих экономичного питания применяется КМОП технология на основе полевых транзисторов с изолированным затвором. Ниже приведена схема КМОР инвертора (здесь и далее используются схемы логических элементов серии К176):

Схема инвертора состоит из одного p-канального (VT1) и одного n-канального (VT2) МОП-транзисторов с обогащением.

МОП - расшифровывается, как Металл - Окисел - Полупроводник. То есть это транзисторы с изолированным затвором и изоляцией на основе окисла металла.

Когда напряжение на входе инвертора равно нулю (сигнал логического нуля), напряжение между затвором и стоком транзистора VT1 равно питающему напряжению и транзистор VT1 открыт, а транзистор VT2 - закрыт. При этом на выходе микросхемы устанавливается напряжение, близкое по уровню к напряжению источника питания (уровень логической единицы). Если на вход схемы поступит сигнал логической единицы, то есть напряжение на входе станет равно напряжению питания, положение меняется на обратное: p-канальный транзистор VT1 закроется, а n-канальный VT2 откроется. В результате напряжение на выходе практически станет равно нулю.

Как мы увидели, в любом логическом состоянии один из МОП-транзисторов включен, в то время, как второй выключен. Поскольку один из транзисторов всегда закрыт, мощность потребления схемы чрезвычайно мала и зависит от тока утечки.
Диод на входе схемы так же служит для защиты.

По такому принципу построены и более сложные микросхемы этой серии. Вот, например, схема элемента "4И-НЕ", входящего в состав микросхемы К176ЛП4:

При поступлении сигнала логического нуля на любой из входов, один из последовательно соединенных транзисторов нижнего плеча закроется, и разорвет соединение выхода элемента с общим проводом. В то же время один из параллельно соединенных транзисторов верхнего плеча откроется и соединит выход с напряжением питания. На выходе появится сигнал логической единицы. И только в том случае, если на всех входах будет присутствовать высокий логический уровень, все транзисторы нижнего плеча откроются и соединят выход с общим проводом. А все транзисторы верхнего плеча закроются и разорвут соединение выхода элемента с напряжением питания. На выходе установится низкий логический уровень.

Как видим, схемы элементов, созданных по разным технологиям отличаются. В связи с этим немного отличается и их и использование. Например, для того, что бы искусственно создать сигнал логической единицы на входе ТТЛ микросхемы нужно соединить этот вход с источником питания через резистор с номиналом от 1 до 10 ком. Меньшее сопротивление недопустимо. Для создания на входе логического нуля, вход нужно соединить с общим проводом либо напрямую, либо через резистор не больше 400 - 500 ом. В микросхемах, изготовленных по КМОП технологии для создания на входе сигнала логической единицы его можно просто соединить с шиной питания напрямую или через резистор с практически любым сопротивлением вплоть до 10 Мом. Для создания на входе сигнала логического нуля вход можно соединить с общим проводом так же напрямую или через резистор от 0 до 10 Мом. Но есть и ограничения: Не допускается подавать на вход напряжение, большее, чем напряжение питания, а так жеотрицательное напряжение.

Микросхемы, взятые для примера в этой рассылке, в настоящее время устарели и сняты с производства. Им на смену пришли более совершенные. Но общие принципы построения остались те же.

На сегодня все. Надеюсь, все рассказанное мной было для вас интересно.
Присылайте свои отзывы по адресу: belov@gomail.com.ua

Автор рассылки Белов А.В.         belov@gomail.com.ua
http://subscribe.ru/
E-mail: ask@subscribe.ru 		Отписаться
Убрать рекламу
В избранное