Триггеры

А-ИЛИ-НЕ; б — ИЛИ; в — И; г — И — НЕ

А — инвертор (ключ); б — ИЛИ — НЕ; в — И — НЕ

Рис. 4.9. Базовые элементы НСТЛ на р-МДП-транзисторе a — ИЛИ — НЕ; б — И — НЕ

Рис. 4.8. Базовый элемент ЭСЛ

Рис. 4.7. Транзисторный переключатель тока: в — принципиальная схема; б — временные диаграммы

А — со смещающими диодами; б — с дополнительным транзистором

Рис. 4.3. Базовый элемент РТЛ

Таблица 4.2

Логическая операция	Обозначение логического элемента	Таблица истинности	Логическая операция	Обозначение логического элемента	Таблица истинности
И		X1	Х2	Y	И — НЕ		X1	Х2	Y
ИЛИ		X1	Х2	Y	ИЛИ — HL		X1	Х2	Y
НЕ		X	Y	И-ИЛИ-НЕ i		X1X2	Х3Х4	Y

В табл. 4.2 приведены условные обозначения и таблицы истин­ности некоторых логических элементов. Таблицы истинности показы­вают, каким будет сигнал на выходе (0 или 1) при той или иной комбинации сигналов на входе. В табл. 4.2 приведены логические элементы с двумя входами. Число входов может быть и большим. При создании какого-либо устройства могут понадобиться логиче­ские элементы с разным числом входов. Поэтому в состав серий нередко включают микросхемы, которые содержат логические эле­менты на 2, 3, 4, 6, 8 входов. Поскольку микросхемы выпускают в корпусах с ограниченным числом выводов, например корпус К201.14 — 1 имеет 14 выводов, то и логических элементов, разме­щаемых в таком корпусе, будет тем меньше, чем больше входов у каждого из них. Например, серия К155, некоторая часть микро­схем которой выпускается в указанном выше корпусе, включает следующий ряд логических микросхем: К155ЛА1 — два четырехвхо-довых, К155ЛА2 — один восьмивходовый, К155ЛАЗ — четыре двух-входовых, К.155ЛА4 — три трехвходовых логических элемента.

Разработка каждой серии цифро­вых микросхем начинается с базового логического элемента. Так называют элемент, который лежит в основе всех микросхем серии: и логических, и триггеров, и счетчиков и т. д. Как правило, базовые логические элемен­ты выполняют операции И — НЕ либо ИЛИ — НЕ. Принцип лострэгния, способ управления его работой,вы­полняемая им логическая операция, напряжение питания и другие пара­метры базового элемента являются определяющими для всех микросхем серии.

По принципу построения базо-вых логических элементов цифровые

микросхемы подразделяют на следующие типы: резистивно-транзи-сторной логики (РТЛ); диодно-транзисторной логики (ДТЛ)- тран­зисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ); транзисторной логики с эмит-терными связями (ЭСЛ); транзисторной логики с непосредственны­ми связями (НСТЛ).

Разнообразие типов базовых элементов объясняется тем чтс каждый из них имеет свои достоинства и свою область применения Некоторые из перечисленных типов элементов: РТЛ ДТЛ ЭСЛ перешли в цифровую микроэлектронику, сохранившись практичее-кг в том же виде, какими они были в цифровых устройствах на на весных компонентах. Элементы ТТЛ, НСТЛ на МДП-транзисторал появились сразу в микроэлектронном исполнении. В настоящее вре­мя наблюдается интенсивное развитие серий микросхем построен­ных на принципах ТТЛ, НСТЛ, ЭСЛ и вытеснение ими микросхем РТЛ и ДТЛ. Однако пока мы имеем широкую номенклатуру вы пускаемых микросхем всех типов, что и принято во внимание пои изложении материала. ^F

Базовый элемент РТЛ представлен на рис. 4.3. Он выполняет логическую операцию ИЛИ — НЕ. Управление его работой осу­ществляется подачей сигналов в базовые цепи транзисторов- при­сутствие сигнала 1 хотя бы на одном входе приводит к открыва­нию соответствующего транзистора и обеспечению состояния 0 на выходе элемента.

К выходу логического элемента можно подключить несколько входов таких же элементов. Для выравнивания входных токов эле­ментов-нагрузок в базовые цепи транзисторов включены резисторы

Базовые элементы ДТЛ строятся на основе диодной логиче­ской схемы и транзисторного инвертора (рис. 4.4). Элемент выпол­няет операцию И — НЕ: для перевода элемента в состояние 0 на выходе необходимы сигналы 1 на всех входах.

Рис. 4.4. Базовые элементы ДТЛ:

Число различных вариантов построения элементов ДТЛ веаико Мы ограничимся рассмотрением тех из них, которые получили наи­более широкое распространение. Элемент, схема которого представ­лена на рис. 4.4,а, является базовым для микросхем серии 217 Он содержит несколько входных диодов, которые вместе с резистором Ri служат для выполнения логической операции И и выходной инвертор. Два диода До в цепи базы транзистора, часто называе­мые смещающими, предназначены для увеличения порога сраба­тывания инвертора. Нередко предусматривается возможность под­ключения ко входу дополнительной диодной сборки для расши­рения логических возможностей элемента по выполнению опера­ции И.

Работает элемент следующим образом. При наличии хотя бы на одном входе сигнала 0 соответствующий диод открыт и ток от источника Е₁ через резистор R₁ и открытый диод Д_{ поступает в выходную цепь предыдущего элемента. При этом транзистор ока­зывается закрытым, и на выходе элемента напряжение имеет вы­сокий уровень, т. е. уровень 1.

Если на все входы поданы сигналы с уровнем 1, входные дио­ды закрыты, и ток от источника ei поступает в базу транзистора. Он открывается и входит в режим насыщения, при этом выходное напряжение уменьшается до уровня 0.

Выключается транзистор обратным током базы, протекающим через диоды До, представляющие некоторое время малое сопротив­ление обратному току, диод Д₁ и выход открытого транзистора предыдущего элемента. Время восстановления диодов Д₀ должно быть больше времени рассасывания накопленного в транзисторе Т заряда: в противном случае диоды Д₀ закроются, и процесс выклю­чения транзистора существенно замедлится.

В варианте ДТЛ элемента, показанном на рис. 4.4,6 (базовый элемент для микросхем серий 109, 121, 156 и др.), вместо одного из смещающих диодов используется транзистор Т₂, усиливающий ток, включающий выходной транзистор Т₁. В результате использо­вания дополнительного транзистора удается уменьшить требуемое значение напряжения E ₁ до 5 В и снизить требования к усилению выходного транзистора, что способствует увеличению выхода год­ных схем при их изготовлении.

Другая особенность элемента — наличие диода между базой вы­ходного транзистора и входными диодами. Этот диод, называемый ускоряющим, постоянно закрыт и играет роль конденсатора. Емкостью конденсатора является емкость электронно-дырочного перехо­да этого диода. Благодаря ей ускоряется включение выходного транзистора и его выключение, так как на этапе включения емкость способствует более быстрому пропусканию тока в базу транзисто­ра, а при выключении создает дополнительный выключающий ток за счет накопленного ею заряда.

Существенный недостаток рассмотренных элементов заключает­ся в том, что они имеют большое выходное сопротивление в закры­том состоянии, поскольку коллекторное сопротивление выходного транзистора составляет обычно тысячи ом. Это уменьшает ток, отдаваемый в нагрузку, и, как следствие, увеличивает время заряда емкости на выходе элемента.

Базовые элементы ТТЛ строят по тому же принципу, что и элементы ДТЛ, но вместо диодной сборки применяют многоэмит-терный транзистор, называемый так потому, что у него в базе сфор­мировано несколько (обычно от 2 до 8) эмиттерных областей. Обычно ТТЛ элементы имеют сложный инвертор. Один из типичных вариантов построения элементов рассматриваемого типа приведен на рис. 4.5,а, где показан элемент с возможностью расширения по ИЛИ. Эта возможность реализуется при подключении расширителя (рис. 4.5,6).

Элемент ТТЛ работает следующим образом. Когда на все вхо­ды многоэмиттерного транзистора ti (рис. 4.5,а) поданы сигналы 1 все эмиттерные переходы входного транзистора закрыты, и ток от источника через резистор Ri и открытый коллекторный переход тран­зистора ti поступает в базу транзистора Т₂ и открывает его до на­сыщения. При этом открывается до насыщения и транзистор Т₄, обеспечивая низкий уровень выходного напряжения. Транзистор Т₃ в это время закрыт, поскольку напряжение на коллекторе открыто­го транзистора Т₂ мало. Диод Д служит для повышения порога открывания транзистора Г₃.

Рис. 4.5. Базовый элемент ТТЛ (а) и расширитель по ИЛИ (б)

При наличии хотя бы на одном входе сигнала 0 открывается соответствующий эмиттерный переход входного транзистора, и ток от источника через резистор ri и открытый эмиттерный переход поступает в выходную цепь источника сигнала, т. е. выходит из рассматри­ваемого элемента. Транзисторы Т₂ и Г₄ закрываются, а транзистор 7₃ откры­вается. На выходе обеспечивается уро­вень 1. Таким образом, рассмотренный элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И — НЕ. Для ограничения тока через открытый транзистор Г₃ при коротком замыкании выхода элемента включен резистор R₄.

Рис. 4.6. Транзистор с диодом Шотки (а) и его условное обозначение (б)

Благодаря применению сложного инвертора элемент имеет малое выход­ное сопротивление как в состоянии О, так и в состоянии 1. Это позволяет увеличить ток, отдаваемый в нагрузку, т. е. повысить нагрузочную способность, а также уско­рить процессы заряда и разряда емкости нагрузки.

В состав некоторых серий цифровых микросхем ТТЛ входят логические элементы без коллекторной нагрузки выходного транзи­стора — элементы с «открытым» коллектором. Они предназначены для работы с внешней нагрузкой в виде индикаторных приборов, реле и т. д.

В последние годы наряду с микросхемами ТТЛ, построенными на рассмотренных элементах, выпускают микросхемы ТТЛШ. Эти микросхемы построены по тем же схемотехническим принципам, что и ТТЛ, но вместо обычного транзистора в них использован транзи­стор с диодом Шотки (рис. 4.6), включенным параллельно коллек­торному переходу. Диод Шотки, открываясь при напряжении 0 „2 — 0,3 В, фиксирует этот уровень напряжения на коллекторном пере­ходе, не позволяя переходу открыться, а транзистору войти в ре­жим насыщения. Поэтому уменьшается время выключения логиче­ского элемента.

Для иллюстрации достоинств элементов ТТЛШ приведем два параметра одинаковых по схеме элементов, один из которых ТТЛ и относится к серии 130, а другой ТТЛШ и относится к серии 530.

Первый характеризуется средней задержкой 11 не при потребляе­мой мощности 44 мВт, второй — 5 не при 19 мВт (см. табл. 4.14).

Базовый элемент ЭСЛ построен на основе транзисторного пере­ключателя тока. На рис. 4.7 приведены схема переключателя тока и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу.

Переключатель тока состоит из двух транзисторов, эмиттеры которых объединены и подключены к генератору тока. На базу одного из транзисторов Т₁ подают напряжение входного сигнала, а на базу другого T₂ — отрицательное опорное напряжение — E₀, уровень которого выбирают между уровнями логического 0 и логи­ческой 1 Поэтому при наличии на входе элемента уровня логиче­ской 1 транзистор Т₁ открыт, а транзистор Т₂ закрыт. Ток I_э про­текает через открытый транзистор и создает на его коллекторном резисторе отрицательное падение напряжения высокого уровня, т. е. уровня логического 0. При этом на коллекторе закрытого транзи­стора напряжение практически отсутствует, что соответствует уровню логической 1. При изменении уровня входного напряжения транзистор Ti переходит в закрытое состояние, а транзистор Т₂ — в открытое Таким образом, переключается цепь для тока I_э. При этом изменяются и уровни напряжения на выходах.

На рис 4.8 приведена типичная схема базрвого логического элемента ЭСЛ Элемент выполняет одновременно две логические операции- ИЛИ — НЕ по выходу 1 и ИЛИ по выходу 2. Эмиттер-ные повторители обеспечивают совместимость элементов по входным и выходным уровням напряжения, а также уменьшают выходное сопротивление элемента в целях повышения его быстродействия и нагрузочной способности. Элемент допускает увеличение числа вхо­дов при подключении параллельно входным транзисторам расши­рителя Обычно в состав логических элементов входит и источник опорного напряжения (на схеме обведен пунктирной линией).

Особенность ЭСЛ элементов в некоторых сериях — отсутствие нагрузки в эмиттерных повторителях (предусматривается ее под­ключение извне).

В ряде серий элементы ЭСЛ построены на базе двухуровневой схемы переключения тока [10].

Базовые элементы НСТЛ состоят из ключевых схем на МДП-транзисторах с индуцированным каналом. Вариант логического элемента такого вида представлен на рис. 4.9,а. Логический эле­мент состоит из трех параллельно включенных транзисторов, на затворы которых подают входные сигналы, и одного транзистора, выполняющего роль нагрузки. Затвор этого транзистора подклю­чают или к стоку, как в данном случае, или к отдельному источни­ку напряжения смещения. Благодаря этому транзистор постоянно открыт и выполняет функции резистора. В большинстве случаев используют МДП-транзисторы с каналом р типа. Поэтому на затвор и сток таких транзисторов следует подавать отрицательное напря­жение. Для микросхем на р-МДП-транзисторах принята отрица­тельная логика. При подаче отрицательного напряжения высокого уровня (логической 1) хотя бы на один вход, соответствующий транзистор открывается и на выходе устанавливается отрицательное напряжение низкого уровня (логический 0). Таким образом, рас­сматриваемый логический элемент выполняет операцию ИЛИ — НЕ.

Другой вариант логического элемента на МДП-транзисторах представлен на рис. 4.9,6. Здесь транзисторы соединены последова­тельно, благодаря чему элемент выполняет логическую операцию И—НЕ: для того чтобы открыть элемент, надо подать уровень 1 на оба входа.

Логический элемент, выполняющий операцию ИЛИ, реализуется при последовательном включении элемента ИЛИ — НЕ и инвертора. Так, объединяя в разном сочетании простейшие логические элемен­ты, можно получить ряд элементов, способных выполнять более сложные логические операции.

Рис. 4.10. Логические элементы на КМДП-транзисторах:

Другое, весьма перспективное направление разработок микро­схем с малым энергопотреблением базируется на применении МДП-транзисторов с индуцированными каналами разного типа проводи­мости. Два таких транзистора, соединенных последовательно (рис. 4.10,а), образуют ключевой элемент (инвертор), который в стационарном состоянии потребляет ничтожно малый ток, по­скольку в любом положении ключа один из транзисторов закрыт. Действительно, если на входе низкий уровень положитель­ного напряжения (логический 0), то транзистор Т₂ закрыт, а Т₁ открыт, и на выходе формируется высокий уровень положительного напряжения (логическая 1), При подаче на вход напряжения с уровнем 1 открывается транзистор Т₂, а Т₁, имея разность напря­жений между затвором и истоком меньше порогового, закрывается. На выходе устанавливается напряжение с уровнем 0.

Такие пары МДП-транзисторов дополняющего типа часто назы­вают комплементарными (КМДП или КМОП).

На рис. 4.10,6, в приведены логические элементы ИЛИ — НЕ и И — НЕ на КМДП-транзисторах.

Для изготовления микропроцессорных микросхем (см. гл. 5) широко применяются логические элементы на приборах с инжек-ционным питанием, называемые элементами интегральной инжек­ционной логики (ИИЛ или И²Л).

Основа элементов ИИЛ — ключ, это собственно прибор с ин-жекционным питанием, состоящий из генератора тока инжекции I_и и транзистора с открытым коллекторным выходом. Работу ключа рассмотрим в составе логического элемента ИЛИ — НЕ (рис. 4.II,а).

Если вход закоротить, ток I_и не потечет в базу транзистора Т₁ и транзистор будет закрыт — это состояние кодируется логиче­ской 1. Если вход разомкнуть (режим холостого хода на входе), ток I_и потечет в базу Т₁, откроет его до насыщения и обеспечит тем самым режим короткого замыкания, на выходе — это состояние кодируется логическим 0. Параллельное соединение нескольких клю­чей, как на рис. 4.11,а, образует логический элемент ИЛИ — НЕ. Подключение к выходу такого элемента дополнительного ключа, т. е. инвертора, позволяет выполнять операцию ИЛИ (рис. 4.11,6). Схемы логических элементов И и И — НЕ приведены на рис. 4.11 ,в, г.

Рис. 4.11. Логические элементы с инжекционным питанием:

Достоинство элементов ИИЛ и микросхем на их основе — низ­кое энергопотребление (ОД-f-l мкВт) при достаточном для многих применений быстродействии (единицы МГц) и высокий уровень интеграции. Недостаток — малый перепад между логическими уров­нями (менее 0,5 В), чувствительность к помехам и невозможность непосредственного сопряжения с логическими элементами других типов. Поэтому элементы ИИЛ нашли применение в больших инте­гральных схемах микропроцессоров, где они выполняют все функции внутри структуры, а выходы на внешние цепи осуществляются через обычные ТТЛ элементы, расположенные в одном кристалле с эле­ментами ИИЛ [54].

Триггер — это элемент цифровых устройств, который обладает двумя устойчивыми состояниями. В микроэлектронном исполнении выпускают триггеры, различающиеся по сложности построения, по своим функциональным возможностям, по способу управления Г2 10, 36, 37].

Входы, как и сигналы, подаваемые на них, делятся на инфор­мационные и вспомогательные. Информационные сигналы через со­ответствующие входы управляют состоянием триггера. Сигналы на вспомогательных входах служат для предварительной установки триггера в заданное состояние и его синхронизации. Вспомогатель­ные входы могут при необходимости выполнять роль информа­ционных.

Входы и выходы триггеров, как и соответствующим им сигна­лы, принято обозначать буквами S, R, D, Q, J и др.

Триггеры классифицируют по ряду признаков. По функциональ­ным возможностям выделяют:

а) триггер с раздельной установкой 0 и 1 (RS-триггер);

б) триггер с приемом информации по одному входу (D-триггер), другое название: триггер задержки;

в) триггер со счетным входом (T-триггер);

г) универсальный триггер (JK-триггер).

По способу приема информации триггеры подразделяют на асинхронные (нетактируемые) и синхронные (тактируемые). Асин­хронные триггеры реагируют на информационные сигналы в момент ихпоявления на входах триггера. Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы при наличии разрешающего сигнала на специально предусматриваемом входе С. Синхронные триггеры подразделяют на триггеры со статическим управлением по С-входу и с динамическим управлением.

Триггеры со статическим управлением реагируют на информа­ционные сигналы при подаче на вход С уровня 1 (прямой С-зход) или 0 (инверсный С-вход).

Триггеры с динамическим управлением реагируют на информа­ционные сигналы в момент изменения сигнала на С-входе от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамиче­ский С-вход).

По принципу построения триггеры со статическим управлением можно разделить на одноступенчатые и двухступенчатые. Односту­пенчатые триггеры имеют одну ступень запоминания информации. Запись информации в такие триггеры представляет собой непрерыв­ный во времени процесс установления состояния триггера под воз­действием информационных сигналов.

Двухступенчатые триггеры имеют две ступени запоминания информации, которые тактовым импульсом управляются таким образом, что в начале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе триггера.

Рассмотрим свойства триггеров основных видов, вначале триг­геров со статическим управлением, затем — с динамическим.

Асинхронные RS-триггеры имеют два информационных входа: вход S для установки 1, вход R для установки 0 и два выхода: прямой Q и инверсный Q.

Состояние триггера характеризуется сигналом на прямом выхо­де и определяется комбинацией входных сигналов. Например, для установки триггера в состояние 1, т. е. для записи в него 1, необ­ходимо на его входы подать такую комбинацию сигналов, при которой на прямом выходе сигнал будет иметь уровень логической 1, т. е. Q=l, Q=0.

Асинхронный RS-триггер обычно строится на двух логических элементах И — НЕ либо ИЛИ — НЕ, охваченных перекрестными обратными связями (рис. 4.12). На временных диаграммах отраже­на задержка срабатывания триггера, величина которой зависит от быстродействия логических элементов.