Напряжение помехи, при котором транзистор VT1 можно считать открытым, U1пом = Uбэ1 – Uпор = -1,2 –0,6 = -1,8 В.

Помехоустойчивость ТТЛ-схемы со сложным инвертором по логическому нулю выше, а по логической единице, чем ТТЛ-схемы, в соответствии с рисунком 2а.

Быстродействие ТТЛ-схем определяется в основном переходными процессами при переключении транзисторов, а также зарядом паразитной нагрузочной емкости Сн, которая представляет собой суммарную емкость нагрузочных ТТЛ-схем. В схеме, в соответствии с рисунком 2а, заряд емкости Сн происходит с большой постоянной времени через коллекторный резистор R2, что ухудшает быстродействие схемы.

В ТТЛ-схеме со сложным инвертором постоянная заряда нагрузочной емкости существенно уменьшается, так как емкость Сн заряжается через выходное сопротивление Rвых 3 << R2 транзистора VT3, работающего в схеме эмиттерного повторителя. За счет этого ТТЛ-схема со сложным инвертором имеет большее быстродействие по сравнению с ТТЛ-схемой, в соответствии с рисунком 2а.

Схема базового элемента со сложным инвертором лежит в основе разработок большинства серий интегральных микросхем ТТЛ. Для расширения функциональных возможностей элемента промышленностью выпускают так называемые расширители по ИЛИ, в соответствии с рисунком 4а, которые представляют собой часть структуры ТТЛ и подключаются к точкам а и б элемента, в соответствии с рисунком 2. Полученная при этом логическая схема, в соответствии с рисунком 4б, реализует функцию И-ИЛИ-НЕ. На выходе схемы устанавливается логический нуль, если на всех выходах VT1 поступают сигналы, соответствующие логической единице. При всех остальных комбинациях сигналов на выходах схемы выходное напряжение соответствует логической единице.

Повысить быстродействие ТТЛ-схем можно, применив в схеме базового элемента, в соответствии с рисунком 3, вместо обычных транзисторов транзисторы Шотки, работающие  в активном режиме. Тем самым сокращается время переключения транзисторов схемы за счет исключения времени рассасывания носителей заряда в базе транзистора при их запирании. Логические ИМС, выполненные  на базе транзисторов Шотки, называются микросхемами ТТЛШ.

Недостатком ТТЛ-схем является сильная генерация токовых помех по цепи  питания, обусловленных броском тока через сложный инвертор при переключении схемы из состояния логического нуля в единицу. После запирания VT2 транзистор VT3 откроется раньше, чем закроется насыщенный транзистор VT4, так как для выхода VT4 из режима насыщения потребуется некоторое время для рассасывания неосновных носителей в базе. В результате в течении некоторого промежутка времени оба транзистора VT3 и VT4 открыты и по цепи, состоящей из элементов Ек, VT3, VD и VT4, протекает ток, значение которого определяется эмитторным током VT3, находящегося в активном режиме:

Iпом max = Iэ3 = Iб3 · В + Iб3 = Iб3 (В+1)

Так как базовый ток транзистор равен:

То:

Iпом max =

Для устранения влияния токовых помех, генерируемых данной микросхемой, на работу соседних микросхем рекомендуется включать высокочастотные блокировочные конденсаторы между шиной питания и землей.

Элемент И – НЕ с открытым коллектором предназначен для согласования логических схем с внешними исполнительными и индикаторными устройствами, например светодиодными индикаторами, лампочки накаливания, обмотки реле и т.д. Его отличие от ранее рассмотренного заключается в выполнении выходного усилителя мощности по однотактной схеме без собственного резистора. Принципиальная электрическая схема такого элемента приведена в соответствии с рисунком 5.

В данном элементе также отсутствует цепь нелинейной коррекции. Это связано с тем, что элемент ставится на выходе логического устройства и к нему в меньшей степени предъявляются требования квантования сигнала. Обычно выходной транзистор VT3 схемы выполняется с большими допустимыми значениями коллекторного тока и напряжением, чем обычный элемент.

В отличии от стандартных, элементы ТТЛ с открытым коллектором допускают параллельное включение выходных выводов. При этом относительно выходных сигналов каждого элемента реализуется логическая операция И: Uвых = Uвых 1Uвых 2 ... Uвых n

Это позволяет решить две задачи:

1.    Упростить схему проектируемого устройства за счет исключения дополнительных элементов, реализующих операцию И;

2.    Обеспечить работу нескольких выходов на общую шину, т.е. реализовать режим работы с разделением информации по времени.

Базовые логические элементы эмиторно-связной логики.

Причиной появления БЛЭ ЭСЛ явилось желание повысить быстродействие цифровых устройств. Это желание привело к использованию в них совершенно отличного от ТТЛ схемотехнического решения. Как было показано выше, основными причинами инерционности ключей, выполненных на биполярных транзисторах, являются время рассасывания неосновных носителей из его базовой области и постоянная времени перезарядки выходной емкости. Если время рассасывания транзистора при работе последнего в активной области может быть полностью исключено, то от влияния постоянной времени перезаряда выходной емкости транзистора полностью избавиться не представляется возможным. Это влияние можно лишь уменьшить путем увеличения коллекторного тока транзистора, как это было сделано в БЛЭ ТТЛ  серии 513. При неизменном постоянном токе перезарядка выходной емкости транзистора, длительность его перехода из состояния, классифицируемого как логического 0, в состояние, классифицируемого как логической 1 и обратно может быть уменьшено только за счет уменьшения логического перепада. Такое решение позволяет повысить быстродействие. Однако дается оно за счет снижения помехоустойчивости БЛЭ, что требует создания схем при прочих равных условиях менее подверженных действию помех. Этот принцип и использован при построении БЛЭ ЭСЛ.

Основой БЛЭ ЭСЛ является токовый ключ, выполненный на двух транзисторах, в соответствии с рисунком 6. На базу одного из них, например VT2, подано некоторое постоянное опорное напряжение Uоп. Изменение напряжения подаваемого на вход х0 ниже или выше Uоп приводит к перераспределению постоянного тока Iэ, заданного токостабилизирующим резистором Rэ, между транзисторами VT1 и VT2. При этом транзисторы не попадают в режим насыщения и, следовательно, в ключе принципиально отсутствует интервал рассасывания их неосновных носителей. Таким образом, особенностью БЛЭ ЭСЛ является постоянство потребляемого тока независимо от выходного сигнала ключа.

Эта особенность выгодно отличает БЛЭ ЭСЛ от БЛЭ ТТЛ, в котором момент переключения ток, потребляемый элементом, резко возрастет, создавая внутренние помехи, ухудшающие помехозащищенность цифрового устройства.

Не трудно заметить, что общей шиной является шина +Uп, в результате чего потенциалы точек схемы отрицательны относительно общей шины. Однако в схеме токового ключа так же, как и в схемах ТТЛ, реализован принцип положительной логики, при котором большему выходному напряжению соответствует сигнал логической 1, а меньшему – сигнал логического 0.

Быстродействие такого ключа весьма велико, так как, во-первых, транзисторы принципиально не заходят в область насыщения, и, во-вторых, мал логический перепад напряжений между значениями логического нуля и логической единицы. Последнее реализовано выбором малых сопротивлений резисторов Rк1 и Rк2 схемы, что крайне полезно с точки зрения уменьшения постоянной времени перезаряда выходной емкости транзистора.

С токового ключа снимаются одновременно два сигнала – прямой и инверсный, связанные с сигналом х0 на входе схемы соотношениями:

y1 = x0

y0 =

Следует отметить, что схемотехнически токовый ключ, в соответствии с рисунком 6, повторяет схему дифференциального усилителя постоянного тока.

Выходное напряжение, снимаемое с выходов y1 и у0 всегда больше Uоп, так как транзисторы VT1 и VT2 всегда работают в ненасыщенном режиме. Поэтому непосредственное последовательное включение нескольких таких ключей невозможно. Для этого необходим согласующий каскад. В качестве такого согласующего каскада используются схемы эммитерных повторителей включенных между выходами токового ключа и выходами элемента.

Полная схема БЛЭ, выполненного на основе токового ключа, приведена в соответствии с рисунком 7. Базовый элемент получен путем замены входного транзистора VT1 токового ключа группой параллельно включе6нных транзисторов VT1 – VTn.

Функционально схему БЛЭ можно разбить на три узла:

1.    Токовый ключ на транзисторах VT1 – VTn+1 и резисторе Rn+2;

2.    Источник эталонного напряжения, включающий параметрический стабилизатор на элементах Rn+4, VD1, VD2, Rn+5 и эммиторный повторитель на VTn+2  и Rn+3;

3.    Выходные эммиторные повторители на транзисторах VTn+3 и VTn+4.

Цепь нагрузок транзисторов VTn+3 и VTn+4 вынесена из ИС БЛЭ, что способствует снижению рассеиваемой в ней мощности и расширению функциональных возможностей.

Диоды VD1, VD2 в задающей цепи источника эталонного напряжения служат для термокомпенсации напряжения Uоп.

Принцип действия и функциональные возможности БЛЭ ЭСЛ.

Предположим, что на все входы схемы, в соответствии с рисунком 7, х0, ..., хn-1 подано напряжение, близкое к –Uп. Тогда транзисторы VT1 - VTn будут заперты. Весь ток резистора Rn+2 протекает через транзистор VTn+1, к выводу базы которого приложено напряжение Uоп. Этот транзистор поддерживается в активном режиме работы за счет действия глубокой последовательной отрицательной обратной связи по току. Если не учитывать обратные токи коллекторных переходов транзисторов VT1 - VTn, через резистор Rn протекает только базовый ток транзистора VTn+3 выходного эммиторного повторителя. Следовательно, напряжение на выходе близко к нулевому

Uy2 = -Iб VTn+3 · Rn – Uбэ VTn+3

Численно напряжение Uy2 примерно равно –0,9 В.

Через резистор Rn+1 кроме базового тока транзистора VTn+4 протекает ток Iк VTn+1, примерно равный Iэ. Эти токи создают на резисторе Rn+1 падение напряжения, равное:

URn+1 = (Iк n+1 + Iб n+4)Rn+1 = [(Iэ·h21э)/(h21э + 1)+ Iб n+4] ≈ Iэ · Rn+1

Это напряжение преобразуется выходным эммиторным повторителем на транзисторе VTn+4 в выходное напряжение Uy1, определяемое выражением:

Uy1 ≈ -Uбэ VTn+4 – IЭ · Rn+1

Численно напряжение Uy1 примерно равно –1,7 В.

Если хотя бы на один из входов схемы х0, ..., хn-1 подано напряжение, превышающее по уровню Uоп (-1,3 В), соответствующий транзистор VT перейдет в активный режим работы. Его ток будет равен току Iэ, что приведет к смене уровней выходного напряжения:

Uy2 ≈ -Uбэ VTn+3 – IЭ · Rn

Uy1 = -Iб VTn+4 · Rn+1 – Uбэ VTn+4

Из сказанного следует, что рассмотренная схема реализует по входу y2 операцию ИЛИ-НЕ, а по выходу у1 – операцию ИЛИ

у1 = (х0 + х1 + ... + хn-1)

у1 =

Резисторы R0 – Rn-1, включенные между базами транзисторов VT1 – VTn и выходом –Un, обеспечивает запертое состояние этих транзисторов при отсутствии входного сигнала. Это позволяет не беспокоиться о подключении неиспользуемых входов ИС выводом источника питания.

Особенностью схемотехнического построения элементов ЭСЛ является использования для подключения общей шины собственно такого переключателя и выходных эммиторных повторителей различных выводов ИС. Потребляемый ток, протекающий в этих цепях, имеет качественно различный характер. Как было отмечено ранее, в принципе работы токового ключа заложено потребление принципиально постоянного тока, так как его работа связана с перераспределением тока эммиторного резистор Rэ. Эммитерные же повторители потребляют импульсный ток. К тому же для улучшения частотных свойств сопротивления резисторов, подключаемых к выводам U1 и U2 ИС, выбираются весьма малыми (Rвнешн = 75 ... 100 Ом). Поэтому совместное питание этих цепей из-за малой величены логического перепада может приводить к ложному срабатыванию соседних элементов, т.е. появлению сбоев при обработке информации (внутренних помех). Разделение цепей питания позволяет устранить этот недостаток.

Раздельное питание токовых ключей и выходных эммиторных повторителей позволяет дополнительно решать задачу снижения мощности, рассеиваемой в реальной аппаратуре. Так как выходное напряжение элемента лежит  диапазоне –0,9 ... – 1,7 В, то для питания внешних резисторов может быть использовано напряжение, не превышающее 2 В. Такое решение при малых сопротивлениях Rвнешн позволяет значительно уменьшить бесполезные потери мощности.

Рассмотренные функциональные возможности БЛЭ ЭСЛ простыми схемотехническими приемами могут быть существенно расширены. Для этого, как правило, используется два приема:

1.    Совместное включение выходов нескольких элементов на общую нагрузку;

2.    Многоярусное включение переключателей тока.

Первый прием использует свойство эммиторных повторителей поддерживать высокий уровень выходного напряжения, если хотя бы один из параллельно соединенных транзисторов включен.

Второй прием базируется на последовательном (многоярусном) включении токовых переключателей, что позволяет реализовать более сложные логические функции.

Схемотехника БЛЭКМОП-типа.

Увеличение быстродействия ИС МДП требует увеличения токов перезаряда емкостей нагрузки. Однако это, как было показано ра­нее, ограничивается ростом потребляемой мощности и увеличе­нием нестабильности выходных логических уровней. Преодолеть указанное противоречие можно либо технологическим путем, соз­давая транзисторы с меньшей входной емкостью, либо схемотехни­ческим путем, применяя схему ключа на транзисторах с каналами различного типа (комплементарные транзисторы). Эти ключи, с одной стороны, позволяют значи­тельно увеличить токи перезаряда емкости нагрузки, а с другой,— максимально уменьшить мощность, рассеиваемую в элементе. Напомним, что ключ на комплементарных транзисторах при правильном выборе параметров входящих в него элементов в статическом режиме работы практически не потреб­ляет мощность от источника питания.

Потребляемая элементом мощность в статическом режиме тож­дественно равна мощности, отдаваемой им в нагрузку. А так как нагрузкой элемента являются входные цепи аналогичных элемен­тов, носящие чисто емкостный характер, то мощность, отбираемая от источника питания, расходуется только в динамическом ре­жиме на перезаряд этой емкости, т. е. имеет минимально возможное значение.

В соответствии с рисунком 8, приведена принципиальная электрическая схема и в соответствии с рисунком 9, срез топологии транзисторного ключа, используемого в ИС КМОП.

Она может быть разбита на три части: входной диодно-резисторный ограничитель напряжения; собственно ключ на КМОП-транзнсторах; выходная диодная цепь.

Входное сопротивление транзисторов, используемых в схеме ключа, достигает значений до 1012 Ом. При толщине изоляции между затвором и полупроводником порядка 50 ... 70 мкм его собственное пробивное напряжение составляет порядка 150 ...200В. Это предполагает введение в элемент специальной схемы защиты от статического электричества, которое может попасть на его вход в процессе хранения или монтажа. Роль этой схемы выполняет входной диодно-резистивный ограничитель на элементах VD1,VD2, VD3 и R1. Данная схема ограничивает напряжение на входе тран­зисторного ключа в диапазоне от —0,7 В до На +0,7 В.

Элементы выходной диодной цени (VD4, VD5, VD6) образованы соответствующими областями самого транзисторного ключа и с точки зрения его работы не являются обязательными. Наличие этих диодов накладывает дополнительные ограничения на использование элемента. Всегда должно выполняться неравенство

│Uвх - Uвых │< Uп

В противном случае диоды входного ограничителя и выходной цепи могут открываться, закорачивая цепь питания элемента. По­следнее может быть причиной его пробоя. Поэтому напряжение питания на КМОП-схсмы должно всегда подаваться до включения и сниматься после отключения входного информационного сиг­нала.

Схемотехнически БЛЭ КМОП-типа повторяют схемы элемен­тов nМОП- и рМОП-типов. Отличие состоит в том, что всегда используются пары транзисторов. При этом если для реализации заданной логической функции транзисторы с каналом л-типа включаются последовательно, то парные им транзисторы р-типа включаются параллельно и наоборот. В качестве примера, в соответствии с рисунком 10, приведены принципиальные электрические схемы, реали­зующие логические операции 2И—НЕ и 2ИЛИ—НЕ. Для упро­щения на приведенных схемах не показаны элементы входных и выходных цепей ключа.

К особенностям схем БЛЭ следует также отнести отсутствие дополнительного нагрузочного транзистора. Его роль выполняет один из транзисторов ключа.

Анализ схем позволяет сделать важный практический вывод о том, что аналогично БЛЭ ТТЛ для БЛЭ КЛЮП параллельное включение нескольких их выходов запрещено.

В соответствии с  таблицей 1, приведены наиболее важные параметры БЛЭ кмоп.

Следует также отметить, что КМОП-элементы обладают высо­кой помехоустойчивостью до 40% напряжения питания.

Таблица 1