Компьютерная схемотехника (стр. 11 из 32)

В этом элементе [3, 11] логические операции выполняются эмиттерно-связанными транзисторами, чем и обусловлено название типа логики. Элемент имеет два выхода, на одном из которых фиксируется результат операции ИЛИ над входными цифровыми сигналами, а на другом - операции ИЛИ-НЕ.

В этой схеме к “земле” присоединена плюсовая шина источника питания, поэтому выходные сигналы имеют отрицательную полярность.

Разработанные на основе схем ЭСЛ ИМС характеризуются высоким быстродействием, высокой нагрузочной способностью, низкой помехоустойчивостью и достаточно большой потребляемой мощностью.

7.3 Базовый КМОП-элемент ИЛИ-НЕ

Логические схемы на комплементарных (дополняющих друг друга) МОП (МДП) - транзисторах содержат последовательно включенные и управляемые одним сигналом МОП-транзисторы с каналами разных типов проводимости (n- и p-типа) (рисунок 7.6).

Рисунок 7.6

Когда один из последовательно включенных транзисторов открывается, другой - закрывается. Поэтому такой каскад практически не потребляет мощности в статическом режиме.

КМОП-элемент (рисунок 7.6) представляет собой делитель напряжения +Епит. Нижнее плечо делителя составляет транзистор VT2, который называется коммутирующим или управляющим. Верхнее плечо образует транзистор VT1, который называется нагрузочным. Если на вход подается высокий уровень напряжения (логическая 1), то открывается транзистор VT2 и закрывается VT1. Большая часть напряжения питания выделяется на нагрузочном транзисторе VT1, а с выхода снимается низкий уровень напряжения (логический 0).

Если на вход поступает низкий уровень сигнала (логический 0), то открывается VT1 и закрывается VT2. С выхода снимается высокий уровень напряжения, а открытый транзистор VT1 выполняет функцию стокового резистора Rс. Рассмотренная схема выполняет функцию инвертора

.

Ниже показана схема логического элемента с тремя входами ИЛИ-НЕ на КМОП-транзисторах (рисунок 7.7).

Рисунок 7.7

Если на любой из входов, например, С, подается высокий уровень (логическая 1), то открывается транзистор VT1 и шунтирует параллельно включенные с ним транзисторы VT2 и VT3. Сопротивление нижнего плеча делителя, состоящего из трех параллельно включенных управляющих транзисторов VT1, VT2 и VT3, уменьшается. Одновременно запирается транзистор VT6 и сопротивление верхнего плеча делителя, состоящего из трех последовательно включенных нагрузочных транзисторов VT4, VT5 и VT6 становится весьма значительным. Большая часть напряжения питания +Епит выделяется на нагрузочных транзисторах, а с выхода снимается низкий уровень сигнала (логический 0).

Только когда на всех входах А, В и Сприсутствует низкий уровень сигнала (логический 0), управляющие транзисторы закрыты, а нагрузочные – открыты. Падение на нагрузочных транзисторах мало и они выполняют функцию стокового (нагрузочного) резистора Rс для параллельно включенных закрытых транзисторов VT1 ... VT3. С выхода снимается высокий уровень напряжения (логическая 1).

Таким образом, рассматриваемый элемент (рисунок 7.7) выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ

.(7.1)

Логические КМОП-элементы имеют ряд существенных достоинств. Во-первых, в статическом состоянии в цепи источника Епит находится запертый транзистор, так что потребляемая элементом мощность весьма мала. Потребление мощности происходит только при переключении элемента. Во-вторых, входное сопротивление полевого транзистора весьма велико, поэтому каждый последующий элемент практически не нагружает предыдущий. В-третьих, при исполнении по интегральной технологии полевой транзистор занимает на подложке (основании микросхемы) меньшую площадь, чем биполярный. Недостатком элемента является меньшее быстродействие, чем у ТТЛШ - и ЭСЛ - элементов.

При перевозке и монтаже КМОП-схем нужно соблюдать определенные меры предосторожности. В частности, монтажник и все монтажные инструменты должны быть заземлены, чтобы исключить возможность пробоя изоляции между затвором и каналом.

8.ГЕНЕРАТОРЫ ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ (ГТИ) на логических элементах

8.1 ГТИ на двух инверторах

Существует много различных схем ГТИ (мультивибраторов) на логических элементах (ЛЭ) [6, 12], простейшей из которых является схема на двух элементах И-НЕ (инверторах) (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1

Для стабилизации работы в схеме использована местная (охватывающая только одну ИМС) отрицательная обратная связь (ООС) через резистор R.

Необходимая для самовозбуждения генератора положительная обратная связь (ПОС) реализована через конденсатор С.

В процессе работы схемы перезаряд конденсатора С через резистор R (рисунок 8.2).

Рисунок 8.2

На временном интервале Т1 на входе элемента DD1 напряжение U11 > Uпор ≈ 1,3...1,5 В, где Uпор – пороговое напряжение логического элемента (рисунок 6.1). Поэтому на выходе DD1 поддерживается низкий уровень напряжения U021, а на выходе DD2 - высокий уровень U022. Ток перезаряда конденсатора течет от источника питания по цепи: (“+Епит”; R1вых2; С; R; R0вых1; “земля”) и экспоненциально уменьшается с постоянной времени

.(8.1)

При этом напряжение на входе DD1 также экспоненциально падает от начального напряжения

, асимптотически стремясь к уровню . В момент, когда напряжение на входе DD1 достигает уровня порога Uпор, инвертор DD1 переходит в усилительный режим (наклонный участок передаточной характеристики логического элемента (рисунок 6.1)). Напряжение U21 возрастает и инвертор DD2 также переходит в усилительный режим. В схеме начинает выполняться условие возникновения скачков: баланс амплитуд и баланс фаз (ПОС), что способствует быстрому (лавинообразному) переключению мультивибратора в другое квазиустойчивое состояние равновесия (U21 = 1, U22 = 0).

На выходе возникает отрицательный скачок напряжения, который через конденсатор С прикладывается ко входу U11, вызывая там тоже скачок напряжения. Т.к.

, то на входе появляется небольшое отрицательное напряжение .

На временном интервале Т2 напряжение на входе DD1 U11 < Uпор, поэтому на выходе DD1 - высокий уровень

, а на выходе элемента DD2 - низкий . Конденсатор С вновь перезаряжается. Ток перезаряда С протекает в противоположном направлении по цепи: (“+Епит”; ; R; С; ; “земля”).

По мере перезаряда ток через резистор R уменьшается экспоненциально с постоянной времени

,(8.2)

а напряжение на входе DD1 экспоненциально возрастает от уровня

, асимптотически стремясь к уровню .

В момент совпадения U11 и Uпор схема вновь переключается. На выходе U22 появляется положительный скачок напряжения, который через конденсатор С прикладывается ко входу U11, вызывая там также скачок напряжения. Далее описанные процессы повторяются.

Период генерируемых импульсов определяется зависимостью [12]

(8.3)

при условии, что величина резистора R лежит в диапазоне:

240 Ом < R < 470 Ом.(8.4)

К достоинствам рассмотренного МВ относятся: простота схемы и стабильность частоты генерации. При изменении напряжения питания ИМС ТТЛ-типа в диапазоне (4,5...5,5) В частота изменяется только на 2%. Главный недостаток - искажение вершины выходных импульсов, т.к. выход связан с конденсатором, который постоянно перезаряжается.

Для устранения этого недостатка в схему вводят еще один элемент И-НЕ (инвертор).

8.2 ГТИ на 3-х инверторах.

В схеме такого генератора (рисунок 8.3) резистор R отключен от выхода DD1 и подключен к выходу элемента DD3.

Рисунок 8.3

Перезаряд конденсатора С происходит через резистор R и выходные цепи DD2 и DD3. Поскольку элемент DD1 не нагружен емкостью, импульсы на его выходе обладают хорошей прямоугольностью. Принцип работы схемы аналогичен предыдущей. Временная диаграмма работы показана на рисунке 8.4