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.
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.