Кмоп ттл – 7.2. Логические вентили ттл, ттлш, моп и кмоп структур; вентили с тремя состояниями.

Сравнение основных характеристик ТТЛ и КМОП микросхем

Основной родовой признак ТТЛ — использование биполярных транзисторов, причем структуры только п-р-п. КМОП же, как следует из ее названия, осно­вана на полевых транзисторах с изолированным затвором структуры МОП, причем комплементарных, то есть обоих полярностей — и с w- и с /^-каналом. Схемотехника базовых логических элементов ТТЛ и КМОП приведена на рис. 15.1. На западе их еще называют вентилями — чем можно оправдать та­кое название, мы увидим в конце главы.

Входной многоэмиттерный транзистор ТТЛ мы уже рисовали в главе И — он может иметь сколько угодно (на практике — до восьми) эмиттеров, и эле­мент тогда будет иметь соответствующее число входов. Если любой из эмит­теров транзистора VT1 замкнуть на «землю», то транзистор откроется, а фа-зорасщепляющий транзистор VT2 (с его работой мы знакомы по рис. 6.8) — закроется. Соответственно, выходной транзистор VT3 откроется, а VT4 — закроется, на выходе будет высокий логический уровень, или уровень логи­ческой единицы. Если же все эмиттеры присоединены к высокому потенциа­лу (или просто «висят» в воздухе), то ситуация будет обратная — VT2 откро­ется током через переход база-коллектор VT1 (такое включение транзистора называется «инверсным»), и на выходе установится ноль за счет открытого транзистора VT4. Такой ТТЛ-элемент будет осуществлять функцию «И-НЕ» (логический ноль на выходе только при единицах на всех входах).

ТТЛ

Выходной каскад ТТЛ-элемента представляет собой некое подобие ком­плементарного («пушпульного») каскада класса В, знакомого нам по анало­говым усилителям (см. рис. 8.2). Однако воспроизведение р-п-р-транзисторов оказалось для ТТЛ-технологии слишком сложным, потому такой каскад носит еще название псевдокомплементарного— верхний транзистор VT3 работает в режиме эмиттерного повторителя, а нижний — в схеме с общим эмиттером.

Рис. 15.1. Схемы базовых элементов ТТЛ и КМОП

Кстати, заметим, что из-за недоступности p-w-p-транзисторов воспроизведе­ние схемы «ИЛИ» для ТТЛгтехнологии оказалось крепким орешком, и ее, схемотехника довольно существенно отличается от показанной на рис. 15.1 базовой схемы элемента «И-НЕ».

Заметки на полях

На заре транзисторной техники псевдокомплементарные каскады, подобные выходному каскаду ТТЛ, использовались — о ужас! — для усиления звука. Это построение дало основания для многочисленных попыток приспособить логи­ческие элементы, которые, в сущности, представляют собой усилитель с до­вольно большим (несколько десятков) коэффициентом усиления, для усиле­ния аналоговых сигналов. Излишне говорить, что результаты оказались довольно плачевными, даже с КМОП-элементом, который построен куда более симметрично.

Как видно из схемы, ТТЛ-элемент существенно несимметричен и по входам, и по выходам. По входу напряжение логического нуля должно быть доста­точно близко к «земле», при напряжении на эмиттере около 1,5 В (при стан­дартном для ТТЛ питании 5 В) входной транзистор уже запирается. Причем при подаче нуля нужно обеспечить отвод довольно значительного тока база-эмиттер— около 1,6 мА для стандартного элемента, отчего для элементов ТТЛ всегда оговаривается максимальное количество одновременно подсое­диненных к выходу других таких элементов (стандартно — не более десят­ка). В то же время логическую единицу на входы можно не подавать вовсе. Практически, однако, подавать ее следует — по правилам незадействованные входы ТТЛ должны быть присоединены к питанию через резисторы 1 кОм.

Еще хуже дела обстоят на выходе: напряжение логического нуля обеспечива­ется открытым транзистором и действительно довольно близко к нулю — даже при нагрузке в виде десятка входов других таких же элементов оно не превышает 0,5 В, а в нормах на сигнал ТТЛ оговорена величина не более 0,8 В. А вот напряжение логической единицы довольно далеко отстоит от питания и составляет при питании 5 В в лучшем случае (без нагрузки) от 3,5 до 4 В, практически же в нормах оговаривается величина 2,4 В.

Такое балансирование десятыми вольта (напряжение нуля 0,8 В, напряжение порога переключения от 1,2 до 2 В, напряжение единицы 2,4 В) приводит к тому, что все ТТЛ-микросхемы могут работать в довольно узком диапазоне напряжений питания — практически от 4,5 до 5,5 В, многие даже от 4,75 до 5,25 В, то есть 5 В ±5%. Максимально допустимое напряжение питания со­ставляет для разных ТТЛ-серий от 6 до 7 В, и при его превышении они обыч­но горят ясным пламенем. Низкий и несимметричный относительно питания порог срабатывания элемента приводит и к плохой помехоустойчивости.

Самым крупным (и даже более серьезным, чем остальные) недостатком ТТЛ является высокое потребление — до 2,5 мА на один такой элемент, это без учета вытекающих токов по входу и потребления нагрузки по выходу. Так что приходится только удивляться, почему микросхемы ТТЛ, содержащие много базовых элементов, вроде счетчиков или регистров, не требуют охла­ждающего радиатора. Сочетание низкой помехоустойчивости с высоким по­треблением — смесь довольно гремучая, и при разводке плат с ТТЛ-микросхемами приходится ставить по развязывающему конденсатору на ка­ждый корпус. Все перечисленное в совокупности давно бы заставило отка­заться от технологии ТТЛ вообще, однако у них до некоторого времени было одно неоспоримое преимущество: высокое быстродействие, которое для ба­зового элемента в виде, показанном на рис. 15.1, может достигать десятков мегагерц.

В дальнейшем развитие ТТЛ шло по линии уменьшения потребления и улучшения электрических характеристик, в основном за счет использования т. н. переходов Шоттки, на которых падение напряжения может составлять 0,2—0,3 В вместо обычных 0,6—0,7 В (технология ТТЛШ, обозначается бук­вой S в наименовании серии, отечественный аналог— серии 531 и 530). Ба­зовая технология, которая составляла основу широко распространенной в 1960—70-х годах серии 74 без дополнительных букв в обозначении (анало­ги— знаменитые отечественные серии 155 и 133), сейчас практически не используется. ТТЛ-микросхемы в настоящее время можно выбирать из вари­антов, представленных малопотребляющими сериями типа 74LSxx (серии 555 и 533) или быстродействующими типа 74Fxx (серия 1531). Причем по­требление последних практически равно потреблению старых базовых серий при более высоком (до 125 МГц) быстродействии, а для первых все наобо­рот— быстродействие сохранено на уровне базового, зато потребление пи­тания снижено раза в три-четыре.

КМОП

КМОП-элементы намного ближе к представлению о том, каким должен быть идеальный логический элемент. Для начала, как можно видеть из рис. 15.1, они практически симметричны, как по входу, так и по выходу. Открытый по­левой транзистор на выходе (либо /?-типа для логической единицы, либо «-типа для логического нуля) фактически представляет собой, как мы знаем.

просто сопротивление, которое для обычных КМОП-элементов может со­ставлять от 100 до 300 Ом (под «обычными» или «классическими» КМОП мы подразумеваем здесь серию 4000А или 4000В, см. далее). Для дополнитель­ной симметрии на выходе обычно ставят последовательно два инвертора, по­добных показанному на рис. 15.1 справа (жалко, что ли, транзисторов, если потребление не растет?). Поэтому на выходе не сказывается то, что в нижнем плече для схемы «И-НЕ» стоят два таких транзистора последовательно.

Для схемы «ИЛИ» такие транзисторы будут стоять в верхнем плече — она полностью симметрична схеме «И», что тоже плюс технологии КМОП по сравнению с ТТЛ. Обратите также внимание, что выходной каскад инвертора построен не по схеме «пушпульного» каскада, то есть это не потоковые по­вторители напряжения, а транзисторы в схеме с общим истоком, соединен­ные стоками, что позволяет получить дополнительный коэффициент усиле­ния по напряжению.

На практике особенности построения элемента приводят к тому, что в КМОП-микросхемах:

? на ненагруженном выходе напряжение логической единицы практически равно напряжению питания, а напряжение логического нуля практически равно потенциалу «земли»;

? порог переключения близок к половине напряжения питания;

? входы практически не потребляют тока, так как представляют собой изо­лированные затворы МОП-транзисторов;

? в статическом режиме весь элемент также не потребляет тока от источ­ника питания.

Из последнего положения вытекает, что схема любой степени сложности, построенная с помощью КМОП-элементов, в «застывшем» состоянии и даже при малых рабочих частотах, не превышающих десятка-другого килогерц, практически не потребляет энергии! Отсюда ясно, как стали возможными такие фокусы, как наручные часы, которые способны идти от малюсенькой батарейки годами, или sleep-режим микроконтроллеров, в котором они по­требляют от 1 до 50 мкА на все десятки тысяч составляющих их логических элементов.

Другое следствие вышеперечисленных особенностей — исключительная по­мехоустойчивость, достигающая половины напряжения питания. Но это еще не все преимущества. КМОП-микросхемы «классических» серий могут рабо­тать в диапазоне напряжений питания от 2 до 18 В, а современные быстро­действующие — от 2 до 7 В. Единственное, что при этом происходит— при

снижении питания довольно резко— в разы— падает быстродействие и ухудшаются некоторые другие характеристики.

Кроме того, выходные транзисторы КМОП, как и любые другие полевые транзисторы, при перегрузке (например, в режиме короткого замыкания) ра­ботают как источники тока — при напряжении питания 15 В этот ток соста­вит около 30 мА, при 5 В — около 5 мА. Причем это в принципе может быть долгосрочный режим работы таких элементов, единственное, что при этом надо проверить — не превышается ли значение суммарного допустимого то­ка через вывод питания, которое обычно составляет около 50 мА. То есть, возможно, придется ограничить число выходов, одновременно подключен­ных к низкоомной нагрузке. Естественно, о логических уровнях в таком ре­жиме уже речи не идет, только о втекающем или вытекающем токе.

И тут мы подходим к основному недостатку «классической» КМОП-технологии — низкому в сравнении ТТЛ быстродействию. Это обусловлено тем, что изолированный затвор МОП-транзистора представляет собой кон­денсатор довольно большой емкости— в базовом элементе до 10—15 пФ. В совокупности с выходным резистивным сопротивлением предыдущей схе­мы такой конденсатор образует фильтр низких частот. Обычно рассматрива­ют не просто частотные свойства, а время задержки распространения сигнала на один логический элемент. Задержка возникает из-за того, что фронт сиг­нала не строго вертикальный, а наклонный, и напряжение на выходе еще только начнет нарастать (или снижаться), когда напряжение на входе достиг­нет уже значительной величины (в идеале— половины напряжения пита­ния). Время задержки могло достигать у ранних серий КМОП величины 200—250 НС (сравните — у базовой серии ТТЛ всего 7,5 не). На практике при напряжении питания 5 В максимальная рабочая частота «классического» КМОП не превышает 1—3 МГц— попробуйте соорудить на логических эле­ментах генератор прямоугольных сигналов по любой из схем, которые будут разобраны в главе 16, и вы увидите, что уже при частоте 1 МГц форма сигна­ла будет скорее напоминать синусоиду, чем прямоугольник.

Другим следствием наличия высокой входной емкости является то, что при переключении возникает импульс тока перезарядки этой емкости, то есть чем выше рабочая частота, тем больше потребляет микросхема, и считается, что при максимальных рабочих частотах ее потребление может сравниться с по­треблением ТТЛ (по крайней мере, ТТЛ серии 74LS). Дело еще усугубляется тем, что из-за затянутых фронтов импульсов элемент достаточно длительное время находится в активном состоянии, когда оба выходных транзистора приоткрыты (то есть возникает так называемый эффект «сквозного тока»).

Это же затягивание фронтов в сочетании с высокоомным входом приводит к снижению помехоустойчивости при перею1ючении — если на фронте сигна­ла «сидит» высокочастотная помеха, то это может приводить к многократ­ным переключениям выхода, как это было у компаратора (см. главу 13). По этой причине в спецификациях на микросхемы часто указывают желатель­ную максимальную длительность фронтов управляющего сигнала.

Однако в современных КМОП, в отличие от «классических», большинство недостатков, связанных с низким быстродействием, удалось преодолеть (правда, за счет снижения допустимого диапазона питания). Подробнее о се­риях КМОП рассказано далее, а пока несколько еще несколько слов об осо­бенностях этих микросхем.

Незадействованные входы элемента КМОП нужно обязательно подключать куда-нибудь — либо к земле, либо к питанию (резисторов при этом не требу­ется, так как вход тока не потребляет), либо объединять с соседним вхо­дом — иначе наводки на столь высокоомном входе полностью нарушат рабо­ту схемы. Причем в целях снижения потребления следует делать это и по отношению к незадействованным элементам в том же корпусе (но не ко всем незадействованным выводам, конечно). «Голый» вход КМОП из-за своей вы-сокоомности может быть также причиной повышенной «смертности» чипов при воздействии статического электричества, однако на практике входы все­гда шунтируют диодами, как показано на рис. 11.4. Допустимый ток через эти диоды также оговаривается в спецификациях.

nauchebe.net

Сопряжение логических КМОП и ТТЛ элементов

Иногда в одних и тех же устройствах приходится по тем или иным соображениям применять элементы разных схемотехнологических типов. Наиболее часто встречающаяся ситуация – одновременное использование элементов ТТЛ и КМОП. Так как ТТЛ и ТТЛШ близки по параметрам и схемотехнике, будем рассматривать только ТТЛ, как представителя от этих обоих семейств. Знание входных и выходных характеристик логического семейства необходимо для организации любых взаимосвязей с внешним миром.

Входные и выходные характеристики элементов ТТЛ и КМОП. Все цифровые логические семейства строятся таким образом, чтобы к выходу каждого элемента можно было подключить большое число входов, принадлежащих элементам того же семейства. Типичное значение коэффициента разветвления по выходу равно 10. Это означает, что к выходу, например, вентиля или триггера без нарушения технических требований можно подсоединить 10 входов.

Другими словами, в обычной практике цифровых разработок можно обходиться без каких-либо сведений, касающихся электрических свойств используемых кристаллов. Это возможно до тех пор, пока схема состоит только из цифровых логических элементов одного и того же семейства и фактически нечасто приходится думать о том, что же в действительности происходит на логических входах и выходах.

Однако как только необходимо управлять цифровыми схемами при помощи внешних сигналов, аналоговых или цифровых, или же использовать выходы цифровой логики для управления другими устройствами, придется выяснить, что в действительности потребляет логический вход и чем может нагружаться логический выход. Кроме того, при объединении логических семейств надо знать схемотехнические свойства входов и выходов.

Между микросхемами возможны три возможных типа несовместимости логических семейств: либо ИС-приемник управляется слишком высоким напряжением, либо ИС-источник не обеспечивает достаточно высокое напряжение, которое достоверно распознавалось бы ИС-приемником как сигнал высокого логического уровня, либо ИС-источник не может обеспечить необходимого тока для управления ИС-приемником.

Для того чтобы воспользоваться современными, все более доступными БИС, выполненными по МОП-технологии, необходимо знать, каким образом объединяются логические схемы различных типов. В последующих разделах подробно рассматриваются схемотехнические свойства логических входов и выходов и приводятся примеры сопряжения, как между разными логическими семействами, так и между логическими устройствами и внешним миром.

Входные характеристики. На рисунке 19.1 показаны важные характеристики входов ТТЛ и КМОП – зависимости входных токов от входных напряжений. По оси входного напряжения графики расширены за пределы диапазона, встречающегося в чисто цифровых схемах, так как при сопряжении схем значения входных сигналов могут легко превысить напряжение питания.

Когда на вход элемента ТТЛ подается низкий уровень, он действует как источник тока заметной величины, а при высоком уровне – как нагрузка, потребляющая малый ток (до 40 мкА). Входной ток высокого  уровня фактически представляет собой коллекторный ток «инверсного» выходного транзистора VT3 (рис. 20.11). Для правильного управления входом элемента ТТЛ необходимо обеспечить отвод тока порядка 1 мА при уровне входного напряжения не более 0.4 В. Недопонимание этого условия часто приводит к неправильной работе элемента в интерфейсной схеме.

Для отрицательных напряжений вход ТТЛ действует как фиксирующий диод, включенный на землю, а для напряжений выше +5 В вход эквивалентен транзистору с небольшим напряжением пробоя (несколько выше +5,5 В).

У элементов КМОП отсутствует входной ток при входных напряжениях в диапазоне от 0 до EПИТ (за исключением тока утечки). Для сигналов, превышающих диапазон напряжений питания, вход микросхемы представляет собой два фиксирующих диода, один из которых подключен к положительному полюсу источника, а второй – к земле (рис. 19.2).

Эти входные диоды защищают элементы КМОП, которые крайне подвержены повреждениям от статического электричества.

Выходные характеристики. Выходная схема вентиля ТТЛ содержит n-p-n-транзистор, включенный на землю, и n-p-n-повторитель, подключенный к шине EПИТ с токоограничивающим резистором в коллекторной цепи, а иногда диодом, включенным последовательно с эмиттером (рис. 20.10). Когда один из транзисторов насыщен, другой закрыт. В результате элемент ТТЛ может отводить на землю значительный ток (до 16 мА) при небольшом падении напряжения (насыщение), а при высоком уровне на выходе (около +3,5 В) может служить источником тока порядка нескольких миллиампер. Схема выхода предназначена для управления входами ТТЛ и имеет коэффициент разветвления по выходу 10.

 

 

Рис. 19.2. Модель КМОП вентиля для больших входных сигналов

 

Выходная схема элемента КМОП представляет собой двухтактную пару комплементарных полевых МОП-транзисторов, один из которых открыт, а другой закрыт (рис. 19.2). При малых токах выходная схема ведет себя как резистор в несколько сотен Ом, подключенный к земле или к шине EПИТ, а при выходных токах, для которых выходное напряжение приблизительно на 1В отличается от EПИТ, выход в известном смысле превращается в «источник тока». Суммарные выходные характеристики представлены на рисунке 19.3.

 

 

Рис. 19.3. Выходные характеристики логических вентилей

 

Здесь приведены зависимости выходного напряжения от выходного тока для обоих состояний – высокого и низкого. Для упрощения рисунка выходной ток показан положительным. Заметим, что в элементах КМОП выходы в любом случае подключены либо к земле, либо к шине EПИТ, что обеспечивает при отсутствии перегрузки полный перепад напряжения питания.

При нормальном использовании выходы КМОП управляют входами КМОП. Так как входной ток отсутствует (за исключением токов заряда небольшой входной емкости), на выходах происходит полный перепад до EПИТ или до нуля. Для сравнения отметим, что уровни ТТЛ в типичном случае составляют 50…200 мВ (низкий) или 3,5 В (высокий), если в качестве нагрузки используются также элементы ТТЛ. При включении нагрузочного резистора (почти любого номинала) высокий уровень на выходе элемента ТТЛ приближается к 5 В.

Сопряжение ТТЛ и КМОП. Для того чтобы не испытывать затруднений при работе с обоими семействами, нужно знать, как элементы этих семейств стыкуются друг с другом.

На элементах КМОП реализованы некоторые функции, которых нет на ТТЛ. Имея систему на элементах ТТЛ, работающую с невысокой скоростью, без труда можно добавить к ней некоторые функции, выполняемые на элементах КМОП. Кроме того, для облегчения стыковки с внешними устройствами, совместимыми с ТТЛ, а также при согласовании логической КМОП-схемы с кабелем на входах и выходах бывает полезно использовать буферные элементы ТТЛ. Для согласования ТТЛ и КМОП также применяются преобразователи уровня, описанные в п. 20.9.

Управление КМОП от ТТЛ. Если элемент КМОП работает от напряжения +5 В, то уровни почти совместимы. Единственная трудность заключается в том, что высокий уровень ТТЛ (типичное значение 3,4 В) является граничным для КМОП и желательно, чтобы он был не ниже 3,4 В. Однако достаточно подключить к выходу ТТЛ подтягивающий резистор (например, 5 кОм, что эквивалентно нагрузке одним элементом ТТЛ), соединенный с шиной EПИТ, выходное напряжение будет практически равно 5 В (рис. 19.4, а). Резисторы можно устанавливать как на выходах с открытым коллектором, так и с активной нагрузкой. Если элемент КМОП работает от более высокого напряжения питания, можно также включить нагрузочный резистор, но для этого нужно использовать «высоковольтные» кристаллы ТТЛ, имеющие выходы с открытым коллектором.

Другой способ заключается в использовании преобразователя уровня КМОП типа 40109, на вход которого подаются сигналы относительно источника EПИТ1 (уровни ТТЛ), а на выходе формируются сигналы с уровнями КМОП относительно второго источника EПИТ2 (рисунок 19.4, б).

Для того чтобы схема ТТЛ могла управлять элементом КМОП, работающим от источника напряжением EПИТ > 5 В, контактный вывод EПИТ1 соединяется с источником питания ТТЛ (5В), а вывод EПИТ2 подключается к источнику питания КМОП. Как и прежде, на стандартных выходах ТТЛ надо устанавливать нагрузочные резисторы.

Рис. 19.4. Преобразование уровня от ТТЛ к КМОП

 

Управление ТТЛ от КМОП. Если элемент КМОП питается от источника напряжения +5 В, то его можно непосредственно нагрузить одним элементом ТТЛ. От буферных схем КМОП типа КР1561ПУ4 (шесть инверторов) можно при подключении ее входов к выходам КМОП-микросхем подключать к каждому из ее выходов от двух до восьми микросхем ТТЛ в зависимости от их схемотехнической реализации. При питании элементов КМОП более высоким напряжением также существует несколько способов сопряжения. В первом методе можно использовать схемы 4049/4050 (рис. 19.5 а). Для этих ИМС допускается превышение входными уровнями напряжения питания, поэтому контакты EПИТ можно соединять непосредственно с цепью +5В. Это позволит обеспечить на выходе перепад напряжения от нуля до +5 В и даст возможность подключать к нему до восьми элементов ТТЛ.

Рис. 19.5. Преобразование от КМОП к ТТЛ

 

 

 

 

 

audioakustika.ru

КМОП — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 18 января 2017;
проверки требуют 22 правки.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 18 января 2017;
проверки требуют 22 правки.

Последовательность операций травления и осаждения для получения типовой КМОП-структуры

КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) — набор полупроводниковых технологий построения интегральных микросхем и соответствующая ей схемотехника микросхем. Подавляющее большинство современных цифровых микросхем — КМОП.

В более общем случае — КМДП (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник). В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов в одной локации кристалла; вследствие меньшего расстояния между элементами КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.

По аналогичной технологии выпускаются дискретные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor).

ru.wikipedia.org

Элементная база различных логик: схемы, ТТЛ, ТТЛШ, КМОП

Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик.

Элементы транзисторно-транзисторной логики

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзисторможет моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Упрощенная схема ТТЛ-элемента приведена на рис. 3.27. При мысленной замене многоэмиттерного транзистора диодами получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения, то ток базы транзистора Т2 будет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т2 будет высокий уровень напряжения. Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу Т2 транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе транзистора Т2 будет низкий уровень напряжения, т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ:

uвых= u1· u2. Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 3.28).
Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т4, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзистора Т3, т. е. реализуется функция И-НЕ.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).

Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555)

В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29, а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.29, б.
Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. ТранзисторVT4 — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения uвх1и uвх2 имеют высокий уровень, то диодыVD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1,VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT3 и VT4 образуют так называемый составной транзистор (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ

 

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

● напряжение питания +5 В;

● выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;

● выходное напряжение высокого уровня — не менее 2,5 В;

● помехоустойчивость — не менее 0,3 В;

● среднее время задержки распространения сигнала — 20 нс;

● максимальная рабочая частота — 25 МГц.

Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и напряжению питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.

Особенности других логик

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального усилителя.
Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, −4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT2 подано отрицательное постоянное опорное напряжение Uоп. Изменение входного напряжения uвх1 приводит к перераспределению постоянного тока iэ0, заданного сопротивлением Rэ между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие параметры:

● напряжение питания −5,2 В;

● потребляемая мощность — 100 мВт;

● коэффициент разветвления по выходу — 15;

● задержка распространения сигнала — 2,9 нс.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.

В качестве примера рассмотрим элемент логики n-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31).

Он состоит из нагрузочного транзистора Т3 и двух управляющих транзисторов Т1 и Т2. Если оба транзистора Т1 и Т2 закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень напряжения. Если одно или оба напряжения u1и uимеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т1 и Т2 и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения, т. е. реализуется функция uвых= u1 + u2.

Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

КМОП — логический элемент

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32).

Если входные напряжения имеют низкие уровни (u1и u2меньше порогового напряжения n-МОП-транзистора Uзи.порог.n), то транзисторы Т1 и Т2 закрыты, транзисторы Т3 и Т4 открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно или оба входных напряжения u1и uимеют высокий уровень, превышающий Uзи.порог.n, то открывается один или оба транзистора Т1 и Т2, а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т3 и Т4 устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов Т3 и Т4, а следовательно, на выходе устанавливается низкое напряжение. Таким образом, этот элемент реализует функцию uвых= u1+uи потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.

Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И2Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И2Л могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике. Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33, из которого видно, что транзистор T1 (p-n-p) расположен горизонтально, а многоколлекторный транзистор Т2 (n-p n) расположен вертикально. Транзистор T1 выполняет роль инжектора, обеспечивающего поступление дырок из эмиттера транзистора T1 (при подаче на него положительного напряжения через ограничивающий резистор) в базу транзистора Т2. Если uсоответствует логическому «0», то инжекционный ток не протекает по базе многоколлекторного транзистора Т2 и токи в цепях коллекторов транзистора Т2 не протекают, т. е. на выходах транзистора Т2 устанавливаются логические «1». При напряжении uсоответствующем логической «1», инжекционный ток протекает по базе транзистора Т2 и на выходах транзистора Т2 — логические нули.

Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ-НЕ на основе элемента, представленного на рис. 3.34 (для упрощения другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т3 и Т4 на рисунке не показаны). Когда на один или оба входа подается логический сигнал «1», то напряжение uвых соответствует логическому нулю. Если на обоих входах логические сигналы «0», то напряжение uвых соответствует логической единице.
Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц и более.

pue8.ru

Управление входами ТТЛ и КМОП

Ввод сигнала от механических ключей. Если известны входные характеристики управляемой логической схемы, то довольно легко управлять цифровыми входами от переключателей, клавиатуры, компараторов и т. д. Проще всего здесь использовать резистор, подключенный к шине питания (рис. 19.6, а). При работе с элементами ТТЛ, принимая во внимание их входные характеристики, лучше, когда резистор коммутируется на землю. В этом случае ключ дает хороший отвод тока при низком уровне на входе, а резистор обеспечивает для высокого уровня напряжение +5 В, создавая высокую помехоустойчивость. Кроме того, удобно иметь цепь возврата на землю через ключ.

Вариант схемы, в котором резистор подключается к земле, а ключ замыкается на шину +5 В, использовать нежелательно, поскольку в этом случае для того, чтобы обеспечить низкий уровень ТТЛ (порядка нескольких десятых вольта), потребуется резистор с небольшим сопротивлением (например, 220 Ом) и через замкнутый тумблер будет протекать довольно большой ток. При разомкнутом ключе (наихудшие условия с точки зрения наводок) помехоустойчивость предыдущей схемы составляет не менее 3В, тогда как во второй схеме она может упасть до 0,4 В (для стандартного элемента ТТЛ входной ток равен — 1,6 мА, а порог низкого уровня составляет +0,8 В). Кроме того, входы ТТЛ нежелательно соединять непосредственно с источником +5 В.

Что касается элементов КМОП, то, поскольку их входы не потребляют тока, а типовое значение порогового уровня составляет половину EПИТ, здесь с одинаковым успехом могут применяться оба способа подключения резистора. На практике один контакт ключа принято заземлять, однако если для упрощения схемы ВЫСОКИЙ уровень на входе желательно создавать с помощью замкнутого ключа, резистор можно подключить на землю (рис. 19.6, б, в).

Дребезг контактов механического ключа. После замыкания контактов механических переключателей возникает дребезг контактов, который может  вызывать хаотические переключения элементов, реагирующих на смену состояния сигнала, или «фронт» (рис.19.6, а).

Например, ключ, непосредственно подключенный к счетному входу триггера или счетчика, вызовет при переключении их многократное срабатывание. В подобных случаях нужно использовать электронные средства для подавления дребезга ключа.

 

Рис. 19.6. Ввод сигнала от электромеханических ключей

 

На входах асинхронного RS-триггера, построенного с помощью двух вентилей, нужно установить резисторы, подключенные к шинам питания (рис.19.7). При первом же соприкосновении контактов триггер изменит свое состояние и в дальнейшем уже не будет реагировать на последующий всплеск сигнала, поскольку двухпозиционный однополюсный ключ не может совершать колебания до противоположной позиции. В результате дребезг выходного сигнала будет отсутствовать. Для защиты от дребезга можно также применить триггер в интегральном исполнении.

Существует много способов защиты от дребезга ключей. Применяются устройства со встроенными схемами защиты от дребезга. Такие схемы обычно имеются в шифраторах клавиатуры, которые используют в качестве устройств ввода механические ключи. Кроме этого, можно применять компараторы с гистерезисом, на входе которых для сглаживания импульсов устанавливается ФНЧ.


Рис. 19.7. Схема защиты от дребезга ключа

 

Хорошее качество имеют ключи, построенные на использовании эффекта Холла. Эти твердотельные ключи, управляемые магнитным полем, используются в качестве панельных или клавиатурных ключей. В обоих случаях магнит и ключ объединяются в одном законченном изделии. Ключи работают от напряжения +5 В и вырабатывают на выходе свободные от дребезга логические сигналы, которые могут использоваться для управления элементами ТТЛ и КМОП, работающими от +5 В. С точки зрения износа ключи с эффектом Холла практически вечны, так как в них отсутствуют механические контакты.

Управление цифровой логикой от компараторов и операционных усилителей. Компараторы и операционные усилители, так же как и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), являются обычными устройствами ввода, с помощью которых аналоговые сигналы могут управлять цифровыми схемами. Фактически компараторы являются одноразрядными АЦП.

При использовании компараторов нужно выбирать такие типы ИМС компараторов, которые имеют выходы, совместимые с используемым типом логики. Если по каким-то причинам нет возможности использовать ИМС компаратора, то в этом случае в качестве компараторов желательно применять операционные усилители с одним напряжением питания. При использовании операционных усилителей в качестве компараторов входные цепи цифровых микросхем нужно защищать диодно-резистивными цепями. Эти цепи могут быть самыми разнообразными, их задача – защитить вход от повышенного входного и отрицательного напряжения.

 

audioakustika.ru

Сопряжение КМОП и ТТЛ

Количество просмотров публикации Сопряжение КМОП и ТТЛ — 378

При сопряжении КМОП и ТТЛ к выходу КМОП можно подключить два входа ТТЛ 155серии и до девяти входов 555 серии. При подключении выхода ТТЛ ко входу КМОП крайне важно включить резистор с выхода ТТЛ на источник питания (2кОм) с целью повышения уровня логической ʼʼ1ʼʼ.

Интегральные триггеры. Асинхронные и синхронные триггеры. RS-, JK-, D- и Т-триггеры. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы триггерных схем, их основные параметры. Применение триггерных схем для создания цифровых систем управления

Триггеры – класс устройств, общим свойством которых является способность длительно оставаться в одном из двух (или нескольких возможных) устойчивых состояний и скачком чередовать их под воздействием внешних сигналов. Одно из базовых применений – запоминание информации.

Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в заданном состоянии и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за ʼʼ1ʼʼ, а другое за ʼʼ0ʼʼ, можно считать, что триггер хранит или помнит один разряд двоичного числа.

Классификация триггеров:

1. По количеству информационных входов:

— с одним информационным входом: D-, T-триггеры;

— с двумя информационными входами: RS, DV, JK, TV, S, R, E;

— с тремя и более: , RSP и др.

2. По способу ввода информации:

одноступенчатые
двухступенчатые
со статическим управлением (управление уровнем)
с динамическим управлением (управление фронтом)

Простейшая триггерная ячейка должна быть сделана на элементах ИЛИ-НЕ или И-НЕ.

     
  Rn Sn Q  
   
н/о н/о
н/о н/о
   
      

1-я схема – на элементах ИЛИ-НЕ, 2-я – на И-НЕ.

Недостаток: неопределœенное состояние.

Для исключения неопределœенного состояния разработаны модификации RS-триггеров, у которых при запрещенных входных комбинациях выходной сигнал принимает следующие значения:

R-триггер — 0

S-триггер — 1

E-триггер – Qn

JK-триггер —

Триггерные системы

Триггерные системы — ϶ᴛᴏ RS-триггер как ячейка памяти и устройство управления (УУ).

J, K, V, (T)C – внешние входы; Ra, Sa – внешние входы ячейки памяти; Q, — внешние выходы; S’, R’ – внутренние входы.

V – разрешающий сигнал (подготавливает вход разрешения приёма информации)

RS – информационный сигнал

C – синхронизирующий (тактирующий)

Ra,Sa – входы асинхронной установки в 0 или 1 состояние

T – вход счётного триггера (счётный вход)

D – вход установки D или DV-триггера в 0 или 1 состояние

Функциональное назначение внешних входов

усл. обозн. назначение
информационные входы
S вход раздельной установки триггера в состоянии ʼʼ1ʼʼ
R вход раздельной установки триггера в состоянии ʼʼ0ʼʼ
J вход установки JK-триггера в состоянии ʼʼ1ʼʼ
K вход установки JK-триггера в состоянии ʼʼ0ʼʼ
T вход счетного триггера
D вход установки D- или DV-триггера в состоянии ʼʼ1ʼʼ или ʼʼ0ʼʼ
управляющие входы
V подготовительный вход разрешения приема информации
C вход синхронизации (тактирующий)

УУ – комбинационное устройство, преобразующее входную информацию в комбинацию сигналов под воздействием которых ячейка памяти принимает одно из двух устойчивых состояний. Изменяя схему УУ и способы ее связи с ячейкой памяти можно получить триггеры с различными функциональными свойствами. Сигнал на информационном входе определяется информацией, которая будет записываться с триггер.
Размещено на реф.рф
С помощью подготовительного сигнала можно в нужный момент прервать действие триггера или группы триггеров, сохраняя информацию на выходе (V-сигнал). Исполнительные сигналы (С-сигнал) задают момент приема входной информации и служат для синхронной работы ряда устройств, образующих функциональные узлы.

referatwork.ru

Применение цифровых микросхем серии ТТЛ и КМОП

Назначение АЦП КР572ПВ5 — преобразование напряжения аналогового сигнала в цифровую форму для последующего отображения уровня сигнала цифровым индикатором. Прибор рассчитан на совместную работу с жидкокристаллическим четырехразрядным цифровым индикатором. Микросхему КР572ПВ5 изготовляют по технологии КМОП.
Преобразователь (рис. 1) состоит из аналоговой и цифровой частей. Аналоговая содержит электронные выключатели S1-S11, буферный ОУ DA1, работающий в режиме повторителя, интегратор на ОУ DA2, а также компаратор DA3. В цифровую часть входят генератор G1, логическое устройство DD1, счетчик импульсов DD2, регистр памяти с выходным дешифратором DD3.

/>
рис. 1 В преобразователе использован принцип двойного интегрирования, в соответствии с которым вначале разряженный интегрирующий конденсатор Синт заряжают определенное время током, пропорциональным измеряемому напряжению, а затем разряжают определенным током до нуля. Время, в течение которого происходит разрядка конденсатора, будет пропорционально измеряемому напряжению. Это время измеряют с помощью счетчика импульсов; с его выхода сигналы подают на индикатор.
На вход преобразователя (выв. 30 и 31) подают измеряемое напряжение Uвх. а на выв. 36 и 35 — образцовое Uобр. Цикл измерения (рис. 2) состоит из трех этапов — интегрирования сигнала, т. е. зарядки интегрирующего конденсатора (ЗИК), разрядки интегрирующего конденсатора (РИК) и автоматической коррекции нуля (АКН). Каждому этапу соответствует определенная коммутация элементов преобразователя, выполняемая выключателями S1-S11 на транзисторах структуры МОП. На схеме рис. 1 надписи у выключателей обозначают этап, в течение которого «контакты» замкнуты. Длительность этапа, точно задаваемая счетчиком D02, пропорциональна периоду тактовой частоты fт.

/>
рис. 2 В течение этапа ЗИК, длящегося 4000 периодов тактовой частоты, входной сигнал через выключатели S1, S2 и буферный усилитель DA1 поступает на вход интегратора DA2. Это вызывает на конденсаторе Синт накопление заряда, пропорционального и соответствующего по знаку…

www.eham.ru