Диодно-транзисторная логика

2.СХЕМОТЕХНИКА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭВМ
2.1.Диодно-транзисторная логика
Входная логика диодно-транзисторного ЛЭ (ДТЛ)  образована ЛЭ ДРЛ,  а выходным   каскадом   является   инвертор   на   биполярном   транзисторе,   выполняющий функцию НЕ и работающий в режиме электронного ключа. Поскольку режим работы транзистора определяется напряжением на эмиттерном переходе, то   для   анализа   схем,   содержащих   биполярные   транзисторы,   удобно пользоваться не реальной,  а аппроксимированной ВАХ эмиттерного перехода (рис.   6).   Напряжение  UБЭз  = 0,6   В   называется   напряжением   запирания (отпирания)  транзистора  или порогом отпирания.  При  UБЭ < UБЭз  транзистор считается закрытым и токи его электродов отсутствуют (IБ = IК = IЭ = 0). При UБЭ  >  UБЭз  транзистор   открыт   и  может   находится   в   активном   режиме   или режиме насыщения.  В этих режимах работы транзистора изменения токов его электродов   происходят   при   незначительном   изменении   напряжения  UБЭ.   В большинстве случаев можно считать,  что напряжение на эмиттерном переходе транзистора,  находящегося   в  активном режиме  UБЭо  или режиме  насыщения (UБЭ.нас)   одинаковы   и   составляют   0,7   ...   0,8  В.   Транзистор,   находящийся   в режиме   насыщения,   имеет   наименьшее   сопротивление   между   электродами коллектор   -   эмиттер   (RКЭнас  не   превышает   10   ...   15   Ом)   и   наименьшее напряжение между этими электродами: U  = 0,1 ... 0,4 В.
Параметры  ЛЭ  ДТЛ   во  многом   определяются   параметрами   выходного каскада (инвертора), поэтому целесообразно рассмотреть физические процессы, происходящие в инверторе, работающем в режиме электронного ключа.Схема  базового  логического   элемента  ДТЛ  с простым инвертором работает следующим образом. Если на оба входа поданы напряжения высокого уровня Uвх1 = Uвх2 =   = U , то оба входных диода  VD1 и  VD2 закрыты.  Ток,  протекающий от источника питания Еп по цепи +Еп - R1 - VD3 - VD4 - R2 - корпус (-Еп), создает на резисторе R2 напряжение,  переводящее транзистор VT   выходного   каскада   в режим насыщения, и на выходе ЛЭ появляется напряжение низкого уровня Uвых =  U0
  =  0,4 В.  Если хотя бы на один из  входов  подано  напряжение  низкого уровня (например  Uвх1 = U0), то соответствующий входной диод (VD1) открывается,  и ток от источника питания протекает через резистор  R1 и открытый диод (VD1). В точке А создается низкое напряжение UА = Uд.о1 + U0 вх1 = 1 В, и  диоды VD3 и  VD4,  называемые диодами смещения, оказываются закрытыми.
Потенциал базы транзистора  VT понижается до значения  UБЭ < UБЭз,  и он переходит в режим отсечки. На выходе ЛЭ устанавливается напряжение высокого уровня  Uвых  =  U1
  =  Еп.   Таким   образом,   рассмотренный   базовый  ЛЭ  в  ПЛ реализует операцию И-НЕ.
Резистор  R2 способствует   рассасыванию избыточного   заряда, накопленного   в   базе   транзистора   VT,   при   переходе   VT   из   насыщенного состояния в закрытое,  и обеспечивает его запирание при низком напряжении хотя бы на одном из входов ЛЭ.
Для осуществления более надежного запирания транзистора нижний вывод резистора R2 иногда подключают не к корпусу,  а к дополнительному отрицательному источнику смещения Есм = - 0,5 В.
При  Uвх  =  U0пор  входные диоды VD1,  VD2 и диоды смещения  VD3,  VD4 открыты, а транзистор VT закрыт, но напряжение на его эмиттерном переходе, создаваемое   током   диодов   смещения   на   резисторе  R2,   близко   к   порогу отпирания   транзистора  UБЭз. 
Технология   изготовления   базового   элемента   ДТЛ   такова,   что   падение напряжения   на   открытых   входных   диодах   VD1   и  VD2   меньше,   чем   на открытых   диодах   смещения   VD3   и   VD4.   Благодаря   этому   увеличивается помехозащищенность таких ЛЭ. Например,  если известно,  что падения  напряжений на открытых диодах смещения  Uд.оз=  Uд.оч  =  0,8 В,   на   открытых   входных   диодах  Uвх.д.о  =  0,7  В, пороговое напряжение диодов и транзисторов  Uд.з = UБЭз  = 0,6 В, то пороговые напряжения ЛЭ ДТЛ будут равны:
UВх0пор = Uд.оз + Uд.оч + UБЭз – UВх.д.о = 0,8+0,8+0,6-0,7=1,5 (В),
UВх1пор = Uд.оз + Uд.оч + UБЭз – UВх.д.з = 0,8+0,8+0,6-0,6=1,6(В).
С   ростом   частоты   переключений   транзистора   на   форму   выходных импульсов  заметное  влияние  оказывает  емкость  нагрузки Сн,  включающая  в себя   выходную   емкость  инвертора,   емкость   монтажа   и   входную   емкость нагрузочного элемента.  До момента  времени  t1  (рис.  8)  транзистор открыт  и насыщен,  напряжение на его выходе имеет низкий уровень  U0 =UКЭнас = 0,2 В.
До   этого  же  уровня  разряжена  и  емкость  Сн,   т.е.  UСн  =  0,2 В.  В момент  t1 напряжение UБЭ  уменьшается   до   уровня,   не   превышающего   напряжения запирания   транзистора UБЭз  =  0,6  В.  Транзистор   закрывается,   и   начинается зарядка емкости С  током i  по цепи +Е - R - С  (-Е ).
По мере зарядки напряжение на емкости Сн  (следовательно и на выходе элемента) увеличивается по экспоненциальному закону до значения, близкого к Еп. Постоянная времени цепи зарядки емкости Сн определяется как зар = RкСн. Происходит  формирование  положительного  фронта   выходного  импульса  t+ф, которое   заканчивается   к   моменту   времени  t2.   При   этом   длительность положительного фронта определяется формулой t
+ф = t0,1 = (2...3) tзар.

Динамические параметры логических элементов

Параметры,   зависящие   от   времени,   называются   динамическими.   Основными из них являются:

• время задержки распространения сигнала при включении логических элементов ;
• время задержки распространения сигнала при выключении логических элементов.

Часто пользуются усредненным параметром - средним временем задержки логических элементов.
К динамическим параметрам относятся также максимальная рабочая частота , при которой сохраняется работоспособность логический элемент, и динамическая мощность. Эта мощность обусловлена расходом энергии источника питания на перезарядку паразитных емкостей, пересчитанных к выходу логический элемент, при его переключениях из 0 в 1 и из 1 в 0. С ростом частоты значение увеличивается.
Ряд параметров учитывает как статику, так и динамику. Такие параметры называются интегральными. К ним относятся полная потребляемая мощность
Pпот = Pср + Pдин
и работа или энергия переключения
Апер = Pпот tзд.р.ср.
При заданной технологии и схемотехнике (т. е. при заданном значении Апер) можно создавать различные серии ИМС, обладающие либо высоким быстродействием (малое tзд.р.ср) и большой потребляемой мощностью, либо низким быстродействием и малой потребляемой мощностью.
Таким образом, увеличение быстродействия логический элемент при заданной технологии и схемотехнике неизбежно сопровождается увеличением потребляемой мощности.
По соотношению Pср и Pдин все элементы цифровых интегральных схем (ЦИС) подразделяются на две группы. К первой группе относятся элементы, у которых Pср>>Pдин. У таких элементов в некотором диапазоне частот наблюдается слабая зависимость Pпот от частоты . Ко второй группе относятся элементы у которых Pср << Pдин. Для этих элементов зависимость Pпот от частоты близка к линейной. Элементы второй группы являются более совершенными, так как у них сведен до минимума расход мощности в статическом режиме (например, в режиме хранения информации). Энергия переключения характеризует уровень развития технологии, схемотехники и качество ИМС. По мере их совершенствования значение параметра Апер (измеряется в пикоджоулях) уменьшается примерно на 1,5 порядка в десятилетие. Для логических элементов микросхем малой и средней степени интеграции Апер = 1 … 10 пДж, а для логических элементов в БИС и СБИС Апер = 0,01 … 1 пДж. Помимо статических, динамических и интегральных параметров элементы ЦИС характеризуются также схемотехническими и конструктивными параметрами: коэффициентом разветвления по выходу Краз – максимальным числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу элемента. Под единичной нагрузкой подразумевается один вход базового элемента этой же серии. Чем больше значение Краз, тем меньшее число логический элемент потребуется для построения сложного цифрового устройства. Однако с ростом Краз снижаются помехоустойчивость и быстродействие. Уменьшение помехоустойчивости логический элемент на биполярных транзисторах происходит из-за увеличения выходных токов при увеличении числа подключённых нагрузок вследствие снижения уровня напряжения U1 и повышения уровня напряжения U0 . Снижение быстродействия обусловлено увеличением ёмкости нагрузки. Поэтому в одной серии микросхем малой, средней и большой степени интеграции содержатся логические элементы, имеющие Краз = 4 … 25; коэффициентом объединения по входу Коб, равным числу входов логического элемента. С увеличением значения этого коэффициента расширяются логические возможности элементов, однако при этом ухудшается их быстродействие. Поэтому число входов большинства логический элемент не превышает 3 … 4, а при необходимости увеличения числа входов применяют специальные логические элементы – расширители; типом и габаритами корпуса; количеством выводов корпуса; надежностью, определяемой интенсивностью или частотой отказов Все параметры ИМС зависят от температуры. Поэтому указывают диапазон температур Тmin … Тmax, в пределах которых отклонения параметров от их номинальных значений не превышают допустимые. Обычно Т = -60 ... +125°С, а для ИМС, предназначенных для работы в менее жестких условиях, Т = -10 ... +70°С. К технико-экономическим параметрам относятся: стоимость ИМС; процент выхода годных ИМС при изготовлении; степень интеграции; функциональная сложность, характеризующая число условных логических преобразований, выполняемых ИМС.

Статические параметры логических элементов

Параметры ЛЭ цифровых интегральных схем разделяются на параметры
статического и динамического режимов работы.
К основным параметрам статического режима относятся:
выходные и входные напряжения высокого и низкого уровней.
В технических условиях (ТУ) или в паспорте ИМС приводится среднее значение потребляемой мощности в статическом режиме Pср = (P0 + P1)/2. Разность пороговых напряжений Uл = U1вых.пор –U0вых.пор называется логическим перепадом.
Максимально допустимое значение амплитуды потенциальной помехи, не вызывающей сбоя (ложного переключения) в цифровой схеме, называется помехоустойчивостью и определяется выражениями:U+п = U0вх.пор – U0вых.пор;U-п = U1вых.пор – U1вх.пор;(U+п + U-п)/2 = (U0вх.пор – U0вых.пор + U1вых.пор – U1вх.пор)/2 = (Uл – Uз.н)/2,где Uз.н = (U1вх.пор – U0вх.пор) - ширина зоны неопределенности.Из уравнений следует, что для увеличения статической помехоустойчивости ЛЭ необходимо уменьшать ширину зоны неопределенности и увеличивать логический перепад. Уменьшение ширины зоны неопределенности достигается увеличением крутизны передаточной характеристики в режиме переключения. Для увеличения логического перепада необходимо исключить изменение выходного напряжения в режимах «включено» и «выключено», вызываемое изменением входного напряжения. В этом случае напряжение логического перепада будет ограничено только напряжением источника
питания.
При сопоставлении передаточных характеристик ЛЭ разных типов часто пользуются не абсолютными значениями статической помехоустойчивости, а их отношениями к минимальному логическому перепаду:K+п = U+п / Uл; K-п = U-п / Uл.
Чем ближе передаточная характеристика к идеальной, тем ближе значения этих коэффициентов к 0,5.
Эффективным способом повышения статической помехоустойчивости ЛЭ является получение гистерезисной передаточной характеристики (рис. 3,а). При
этом Uп = (U+п + U-п)/2 = (U0вх.пор – U0 + U1 – U1вх.пор)/2 = (Uл – Uг)/2, где Uг - напряжение гистерезиса.
На рис. 3,б показана зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи (Uпи) от ее длительности (tп.и). При превышении длительности импульсной помехи значения tп.и2 импульсная помехоустойчивость приближается к статической, а при помехах длительностью tп и tпи ЛЭ оказывается нечувствительным к их амплитудам.В ТУ характеристика импульсной помехоустойчивости из-за отсутствия надежных критериев ее оценки при массовом производстве и ее зависимости от условий работы не приводится.

Характеристики логических элементов

Основными характеристиками логических элементов являются передаточная Uвых = f(Uвх), входная Iвх = f(Uвх) и выходная Iвых = f(Uвых),. Вид этих характеристик зависит от типа логического элемента (ТТЛ, ЭСЛ, КМДП) и может изменяться под воздействием дестабилизирующих факторов (температуры, напряжения питания, числа подключенных нагрузок и др.)
Важнейшей из названных характеристик является передаточная. Она снимается для одного входа логического элемента и характеризует инвертирующее или неинвертирующее включение этого элемента.Напряжения в точках а и в, в которых модуль коэффициента усиления по
напряжению Ku = | dUвых/dt | (при Uвх = U0вых.пор) = dUвых/dt (при Uвх = U1вх.пор) = 1,
называются пороговыми.

Классификация элементов ЭВМ

По функциональному назначению элементы цифровых устройств делят на логические, запоминающие, индикации и вспомогательные (специальные).Логическими называют такие элементы, в которых в процессе преобра-зования входных переменных изменяется логическое содержание информации. Они могут быть комбинационными и последовательностными. В комбинационных логических элементах выходной сигнал в любой момент времени
является функцией только входных сигналов. Выходной сигнал последовательностных элементов зависит не только от входных сигналов, но и от внутреннего состояния ИМС, предшествовавшего рассматриваемому моменту времени.
По виду реализуемой логической функции логические элементы (ЛЭ) условно подразделяют на элементы одноступенчатой логики, реализующие функции И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, и на элементы двухступенчатой логики, реализующие функции И-ИЛИ, ИЛИ-И, И-ИЛИ-НЕ, ИЛИ-И-НЕ и др.Запоминающие элементы предназначены для хранения (запоминания)
информации, представленной в цифровом коде.
Вспомогательные (специальные) элементы цифровых устройств предназначены для электрического и временного согласования логических и запоминающих ИМС. К ним относятся усилители, формирователи и генераторы электрических импульсов, элементы временной задержки, преобразователи уровней напряжений и токов и др.
Элементы индикации служат для визуального отображения состояний цифровых устройств.
По способу передачи информации логические элементы делятся на асинхронные и синхронные.
В асинхронных логических элементах передача информации определяется лишь собственным временем задержки элементов. В синхронных, или тактируемых элементах информация передается в определенные моменты времени, устанавливаемые тактовой частотой работы устройства.

По принципу построения (схемотехнике) логической схемы различают ИМС:

• диодно-транзисторной логики (ДТЛ);
• транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ);
• транзисторно-транзисторной логики с диодами и транзисторами Шотки (ТТЛШ);
• эмиттерно-связанной логики на переключателях тока (ЭСЛ);
• интегральной инжекционной логики (И2Л);
• логики на МДП и КМДП-транзисторах.

В последнее время получило развитие новое направление - ИМС на основе арсенида галлия.

Типы сигналов.

По способу кодирования обрабатываемой информации элементы цифровых устройств подразделяются на потенциальные, импульсные, импульсно-потенциальные, динамические и фазовые.
В потенциальных элементах входные и выходные переменные кодируются различными уровнями электрического потенциала. Один из этих уровней принимается за 1, другой за 0. Если за 1 принят высокий уровень, а за 0 – низкий, то обработка информации осуществляется в положительной логике
При противоположном кодировании уровней имеет место отрицательная логика.
В импульсных элементах 1 представляется наличием импульса напряжения или тока в начале такта, а 0 - отсутствием импульса. Импульсные сигналы характеризуются постоянной длительностью tи<Т и не зависят от частоты смены информации (Т – длительность машинного такта).
Импульсно-потенциальные элементы могут работать как с потенциальными, так и с импульсными сигналами, причем, входные переменные обычно имеют импульсный характер.
В динамических элементах 1 представляется пачкой импульсов или возобновляемым (регенерируемым) через необходимый интервал времени потенциалом, а 0 – отсутствием импульсов или потенциала.
В фазовых элементах используются сигналы в виде синусоидальных напряжений, а значения 1 и 0 двоичных переменных кодируются фазой синусоидальных напряжений относительно опорного напряжения. Такой принцип кодировки находит применение в устройствах аналого-цифрового типа.
В зависимости от вида сигнала различают технические средства потенциальные, импульсные, динамические.

Основные определения

  Цифровое  устройство  –  устройство,  предназначенное   для   приема,   обработки   и   выдачи   информации,   представленной   цифровым   кодом.   Любое
цифровое устройство, в том числе и ЭВМ, состоит из совокупности элементов -
наименьших функциональных частей,  на основе которых осуществляется его
логическое   проектирование   и   техническая   реализация.  Элементы   цифровых
устройств выполняют одну или несколько простейших логических или вспомогательных  операций  и представляют   собой некоторую  совокупность  определенным образом соединенных компонентов.
Компонентами   элементов   цифровых   устройств   являются   резисторы,
конденсаторы,  диоды,   транзисторы и интегральные  микросхемы  (ИМС)  различной степени интеграции.
По   функциональным   признакам   все   технические   средства   можно
разделить на элементы, устройства (узлы) и системы.
Элемент  –  это   простейшая   схема,   предназначенная   для   одной
функциональной операции с сигналом, как носителем информации: получение,
преобразование, хранение, усиление, передача сигнала.
Устройство   (узел)  –  совокупность   элементов,   предназначенных   для
выполнения,   как   правило,   над   совокупностью   сигналов  –  кодом  –  таких
функций,   как   запоминание   кода,   его   преобразование,   расшифровка   и   т.п.
6Устройством   называют   и   техническое   средство,   состоящее   из   ряда   узлов:
например,  запоминающее устройство,  арифметическое устройство,  устройство
ввода-вывода.
Система – это совокупность устройств, осуществляющая весь комплекс по
обработке  информации,  например:  ЭВМ,  информационно-поисковая  система,
база данных и т.п.
Типовой элемент замены (ТЭЗ) – печатная плата ЭВМ, содержащая десятки
микросхем (т.е. узлов).
Технические   средства   могут   быть   осуществлены   на   элементах,
работающих  на  различных  физических  принципах:  электронных,  магнитных,
пневматических, оптических, оптоэлектронных, химических и т.п.
Материальным носителем информации является сигнал.
Сигнал  –   это   изменение   физических   величин.  Широко   используется
электрический   сигнал,   который   представлен   изменением   напряжения   во
времени или током.
По функциональному назначению различают:

1.  аналоговые (непрерывные);
2. цифровые, которые представлены соответствующим кодом.

Устройства,   которые   обрабатывают   аналоговые   сигналы,   называются
аналоговыми   устройствами   и   имеют   высокое   быстродействие.  Отличаются
низкой  помехоустойчивостью   (способность   устройства,   системы
противодействовать воздействию помеховых сигналов и выполнять заданную
операцию).
Аналоговый сигнал представляет собой функцию времени.

Недостатком   аналогового   сигнала   является   низкая   помехоустойчивость,
поэтому применяются цифровые сигналы.
Для   представления   аналоговых   сигналов   в   цифровую   форму   (код)
применяются   аналого-цифровые   преобразователи   (АЦП),   а   для   обратного
преобразования используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).