Настало время познакомить вас с разнообразием серий логических элементов на разной элементной базе.
Начнем с ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Элементной базой этих серий являются биполярные транзисторы. Широко используются многоэмиттерные транзисторы. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. Такая логика используется в наших сериях К155 и К131. Максимальная частота для серии К155 - 10МГц, для серии К131 - 15 МГц. Напряжение питания - +5 В с точностью 0,5В. В качестве примера приведу схему элемента ИЛИ-НЕ серии К155.
В микросхемах РИс. 2. Схема элемент используются диоды и транзисторы с барьером Шоттки, что, с одной стороны, позволяет снизить потребляемую мощность, а с другой - повысить максимальную частоту. В качестве примера приведу схему 3ИЛИ-НЕ.
Элемент, приведенный на рис. 2, потребляет мощность, сравнимую с серией К155, но имеет максимальную частоту около 60 МГц, а такой же элемент серии К555 имеет потребляемую мощность в пять раз меньше, чем у серии К155, но такую же максимальную частоту. По напряжению питания и логическим уровням серии ТТЛ и ТТЛШ полностью совместимы.
Дальнейшим развитием логических элементов на биполярных транзисторах явилось появление серий ЭСЛ. Эми́ттерно-свя́занная ло́гика (ЭСЛ, ECL) — способ построения логических элементов на основе дифференциальных транзисторных каскадов. ЭСЛ является самой быстродействующей из всех типов логики, построенной на биполярных транзисторах. Это объясняется тем, что транзисторы в ЭСЛ работают в линейном режиме, не переходя в режим насыщения, выход из которого замедлен. Низкие значения логических перепадов в ЭСЛ-логике способствуют снижению влияния на быстродействие паразитных ёмкостей. Быстродействие этих серий - прядка 500 МГц. У нас самыми известной у радиолюбителей была серия К500. Отличием микросхем ЭСЛ от ТТЛ и ТТЛШ является отрицательное напряжение питания, поэтому они напрямую несовместимы. В качестве примера - элемент 2ИЛИ-НЕ.
Обратите внимание, что в состав элемента включен источник опорного напряжения (ИОН) (диоды VD1, VD2, R3, R7 и транзистор VT3. Кроме того, выходы элемента - с открытым эмиттером, т.е. при подключении нужно установить внешние нагрузочные резисторы между выводами выходов и выводом питания. Мы в радиокружке выпаивали микросхемы этой серии из плат ЭВМ Минск, которую утилизировали в Гидрометеоцентре. Несколько этих микросхем храню до сих пор.
В настоящее время элементы, выполненные на биполярных транзисторах, почти полностью вытеснили элементы на полевых транзисторах. Это позволило сократить потребление энергии на три порядка. Кроме того, элементы на полевых транзисторах имеют высокое входное сопротивление, т.е. малый входной ток. Правда, и максимальный выходной ток у них менее 1 мА, поэтому, при использовании их в разных конструкциях, приходится ставить на выходе эмиттерные повторители, как в схеме реле из предыдущей статьи.
Наибольшее распространение сейчас получили серии КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; ( англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor). Как видно их названия, элементы этой серии собраны из комплементарных транзисторов, обычно с изолированным затвором. Общая закономерность построения таких элементов заключается в том, что параллельное соединение транзисторов с каналами p-типа сопровождается последовательным соединением транзисторов с каналами n-типа и наоборот. Давайте рассмотрим работу простейшего элемента - инвертора.
Транзистор VT1 имеет канал р-типа, поэтому закрывающим для него будет Uпит, так как в этом случае напряжение между его затвором и истоком будет равно нулю. А откроется этот транзистор, если его затвор соединить с общим проводом, ведь тогда напряжение между его затвором и истоком будет равно напряжению питания. Для транзистора VT2, имеющего канал n-типа, все будет наоборот: если его затвор соединить с общим проводом, он будет закрыт, а если затвор соединить с питанием, то он откроется. Вы помните, что канал открытого полевого транзистора имеет низкое сопротивление (доли Ом - единицы Ом), а канал закрытого - десятки МОм.
Итак, как работает наш инвертор? Если на входе Х напряжение низкого уровня, то VT2 закрыт, а VT1 - открыт и через его отрытый канал на выход попадает напряжение питания (низкий ЛУ). Если на входе напряжение высокого логического уровня, то VT1 закрыт, а VT2 - открыт и через его отрытый канал выход элемента замкнут на общий провод (высокий ЛУ). Как видите, ничего сложного и ничего лишнего в схеме.
Рассмотрим работу еще одного логического элемента, знакомого вам - ИЛИ-НЕ.
Здесь p-канальные транзисторы включены последовательно (VT3, VT4), а n-канальные – параллельно (VT2, VT3). Если на обоих входах Х1, Х2 ,будет низкий ЛУ, то транзисторы VT1, VT2 будут закрыты, а транзисторы VT3, VT4 - открыты. На выходе будет присутствовать высокий ЛУ. Если хотябы на одном из входов Х1, Х2 ,будет высокий ЛУ, то один из транзисторов ры VT1, VT2 будет открыт, а один из транзисторов VT3, VT4 - закрыт. На выходе будет присутствовать низкий ЛУ.
В элементе нет ни одного резистора, а это говорит о том, что греться здесь нечему, т.к. транзисторы находятся или в закрытом состоянии (протекающий через них ток ничтожен), или в открытом состоянии (их сопротивление очень мало). Основное потребление тока происходит только в моменты переключения.
В настоящее время КМОП-технологии являются доминирующими при производстве цифровых интегральных схем и практически вытеснили логику на основе биполярных транзисторов. КМОП-логика используется в цифровых интегральных схемах как малой (1–10 логических элементов на кристал- 303 ле) и средней (10–100 ЛЭ), так и большой степени интеграции. Это обусловлено следующими причинами.
1. Логические элементы, изготовленные по КМОП-технологии, потребляют значительно меньшую мощность, чем логические элементы на основе биполярных транзисторов как в статическом, так и в динамическом режимах. Потребление мощности КМОП-элементами обусловлено в основном перезарядом паразитных емкостей при переключении элемента из одного логического состояния в другое.
2. Поскольку входы схем являются изолированными затворами МОП-транзисторов, то входные токи очень малы. Поэтому коэффициент разветвления по выходу очень высок. Высокое входное сопротивление МОП-транзисторов позволяет использовать накопленный заряд для хранения входной информации. Это свойство широко используется в микросхемах памяти.
3. МОП-транзистор занимает на кристалле значительно меньшую площадь, чем биполярный. Современные технологии производства СБИС позволяют создавать МОП-транзисторы с длиной канала 0.06 мк. Уменьшение геометрических размеров, а также малое потребление мощности дают возможность изготавливать СБИС, которые содержат десятки миллионов МОП транзисторов.
Тут нужно различать МОП (метал-оксид-проводник) - структуру отдельного элемента и КМОП - технология логических элементов, состоящих из МОП - транзисторов.
Совместимы ли серии КМОП и ТТЛ. ТТЛШ? Так как диапазон питания КМОП лежит в пределах 3 - 15В, то при напряжении 5В можно подключать элементы КМОП к выходу элементов ТТЛ или ТТЛШ. А вот подключать к выходам элементов КМОП элементы ТТЛ или ТТЛШ не рекомендуется из-за низкой нагрузочной способности элементов КМОП. Но грустить не надо. В сериях КМОП (К176 и К561) есть специальные микросхемы преобразователей уровня (ПУ), а в крайнем случае можно установить эмиттерный или истоковый повторитель.
И, наконец, сводная таблица.
Безусловно, серий микросхем огромное множество и охватить их все, или даже существенную часть, я не могу. Да и это ни к чему, так как встретив незнакомую микросхему, посмотрите ее datasheet. Сравнив ее характеристики с таблицей, в первом приближении, к какому типу она относится. Хотя, используя переводчик Googl все можно узнать и по даташту.
По нашим отечественным микросхемам есть отличный справочник В.Л. Шило "Популярные цифровые микросхемы". Пользуюсь ей уже не один десяток лет. Эту книгу можно скачать здесь: https://booksee.org/book/391484
Всем здоровья и успехов.