Глава 5. Реализация логических функций в базисах современных логических схем

Рис. 5.1. Электрическая схема базового элемента серии 533 и 555.

На входе выполнены матрицы диодов Шоттки. Конъюнкция реализуется на диодах VD1-VD3 и резисторе R1, на транзисторе VT1 построен фазоинверсный каскад с источником тока на транзисторе VT2, выходной каскад организован на транзисторах VT3-VT5. Транзисторы всех каскадов содержат переходы Шоттки.

При подключении одного из катодов диодов VD1-VD3 к потенциалу низкого уровня U_IL транзистор VT1 запирается, так как напряжение U_БЭVT1 = U_IL + U_VD1,2,3 - U_БЭVT5 (U_VD1,2,3 - падение напряжения на одном из диодов VD1-VD3) оказывается недостаточным для отпирания. Ток базы при этом близок к нулю, входной ток II определяется резистором R1. На коллекторе транзистора VT1 устанавливается потенциал, отпирающий транзисторы VT3 и VT4, и на выходе логического элемента устанавливается напряжение U_ОН:

U_ОН=U_П - U_БЭVT3 - U_БЭVT4 - I_БVT3*R3

Если же на все входы поступает уровень логической единицы U_IH, то через диоды VD1-VD3 течет обратный ток, не превышающий 20 мкА и являющийся входным током логической единицы I_IH. Транзистор VT1 отпирается, транзисторы VT3 и VT4 закрываются, открывается транзистор VT5, формируя выходное напряжение низкого уровня U_0L:

U_0L = U_КЭVT5

Базовый логический элемент серии 1533 содержит три основных каскада (рис. 5.2.):

входной (транзисторы VT0 и VT2, диод VD1, резисторы R1, R2);
фазоразделительный (транзисторы VT3 и VT7, диоды VD2, VD3, резисторы R3, R5, R6);
выходной усилительный (транзисторы VT4-VT6, резисторы R4, R7).

Рис. 5.2. Электрическая схема базового элемента серии КР1533.

На входе элемента использованы p-n-p транзисторы, что позволило повысить помехоустойчивость схемы за счет увеличения порога переключения, нагрузочную способность в результате уменьшения входного тока, увеличить быстродействие путем использования p-n-p транзистора, работающего в активном режиме.

При низком напряжении на входе на базе VT2 поддерживается низкое напряжение и транзисторы VT2 - VT4 закрыты. Высокое напряжение на входе VT5 открывает его и транзистор VT6. На выходе схемы устанавливается напряжение высокого уровня:

U_OH = U_П - U_БЭVT6 - U_БЭVT5 - I_БЭVT5*R3.

При высоком напряжении на входе схемы эмиттерный переход транзистора VT1 закрыт, и ток через резистор R1 поступает в базу транзистора VT2, который отпирается и открывает VT3 и VT4. Транзисторы VT5 и VT6 закрыты, и на выходе схемы устанавливается напряжение низкого уровня:

U_0L = U_КЭVT4

Использование сложного выходного каскада на транзисторах VT4-VT6 обеспечивает увеличение быстродействия из-за быстрого заряда емкостей на выходе схемы.

В устройствах логического управления и автоматики, требующих высокой производительности, широкое применение получили ИС серии 530 (К530, КН530) и 1531 (КР531, КМ531, КР1531). Схема базового ЛЭ ИС 530 (К530, КМ530, КМ531, КР531) содержит три маломощных ТТЛШ каскада (рис. 5.3)

Рис. 5.3. Электрическая схема базового элемента серии К530.

Входной каскад выполнен на многоэммитерном транзисторе VT1, фазоразделительный на транзисторах VT2, VT3, VT6 и резисторах R2-R5, выходной - на транзисторах VT4, VT5, резисторе R6. В отличие от ЛЭ ИС 533 на входе использован многоэмиттерный транзистор вместо диода Шоттки.

При поступлении сигналов высокого уровня на все входы многоэмиттерного транзистора VT1, ток резистора R1 пойдет через переход база-коллектор VT1 в базу транзистора VT2, что приведет к открытию транзистора VT5 и установлению выходного напряжения низкого уровня:

U_0L = U_КЭVT5

Если хотя бы на один из входов подан низкий уровень напряжения, то транзисторы VT2 и VT5 закрыты. Базовый ток транзистора VT3 течет через резистор R2, открывает транзистор VT4 и на выходе схемы устанавливается напряжение высокого уровня:

U_OH = U_П - I_KЭVT4*R6 - U_КЭVT4

Использование каскада Дарлингтона на транзисторах VT3 и VT4 обеспечивает практически одинаковые значения выходного сопротивления схемы при её включении и выключении, что создает симметричную задержку входного сигнала.

Усовершенствованные ИС 1531(КР 1531) обеспечивают типовое время задержки 2 НС/ЛЭ при меньшей мощности рассеяния, чем схемы серии 530.

В схеме базового логического элемента ИС КР 1531 (рис. 5.4.) применены p-n диоды, что позволило снизить входной ток высокого уровня до 20 мкА при входном токе низкого уровня не более 0,6 мА. Применение изопланарной технологии привело к уменьшению размеров элементов, снижению барьерной емкости p-n переходов и увеличению быстродействия ИС.

Рис. 5.4. Электрическая схема базового элемента серии КР1531.

Схемы серии 1531 работают в области частот до 130 МГц и полностью совместимы с имкросхемами серий ТТЛ и ТТЛШ.

Быстродействующей серией является серия КМОП ИС КР1554, выполненных по 1,4 мкм технологии с оксидной изоляцией, что обеспечивает сочетание малого потребления с высоким быстродействием. Основным преимуществом КМОП ИС является низкая рассеиваемая мощность. Если у биполярных ИС ток потребления в статическом режиме может достигать нескольких десятков миллиампер, то КМОП ИС имеют ток потребления в статическом режиме на 3 порядка ниже, чем у аналогичных ИС серии К531 и КР1533. Ток потребления в статическом режиме КМОП вентиля определяется током утечки закрытых n- и p- канальных транзисторов, поэтому для ИС серии КР 1554 он составляет при Т = 25 С порядка 4 мкА для логических элементов и порядка 8 мкА для схем средней степени интеграции.

Для наглядного представления соотношения параметров ИС различных серий изображены на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Соотношение времени задержки и потребляемой мощности различных серий ИС.