Логические элементы эмиттерно-связной логики

Схемотехника элементов ЭСЛ основана на использовании дифференциального усилителя в режиме переключения тока. Элементы ЭСЛ появились в 1967 г. и в настоящее время являются самыми быстродействующими среди полупроводнико­вых элементов на основе кремния. Задержки распространения сигналов в элементах ЭСЛ уменьшились до субнаносекундного диапазона (приблизительно 1 нс).

Сверхбыстродействие элементов ЭСЛ достигается за счет использования ненасыщенного режима работы транзисторов, выходных эмиттерных повторителей, малых амплитуд логических сигналов (около 0,8 В). В логических элементах ЭСЛ имеется парафазный выход, что позволяет одновременно получать прямое и ин­версное значение реализуемой функции. Это дает заметное снижение общего количества микросхем в аппаратуре.

Особенностями схемотехники ЭСЛ и ее характеристик являются:

Ø возможность объединения выходов нескольких элементов для образования новых функций;

Ø возможность работы на низкоомную нагрузку благодаря наличию эмиттер- ных повторителей;

Ø небольшое значение работы переключения и независимость потребляемой мощности от частоты переключения;

Ø высокая стабильность динамических параметров при изменении темпера­туры и напряжения питания;

использование отрицательного источника питания и заземления коллектор­ных цепей, что уменьшает зависимость выходных сигналов от помех в ши­нах питания.

К недостаткам элементов ЭСЛ относят сложность схем, значительное nпотребление мощности и трудности согласования с микросхемами ТТЛ и ТТЛШ.

Промышленность выпускает ряд серий ЭСЛ: 100, 137, 138, 187, 223, 229, 700, 500 и К1500. Высокие технико-экономические характеристики микросхем серий 500 и К1500 обусловили их широкое применение в быстродействующих цифровых устройствах. Типовые значения параметров элементов ЭСЛ представлены в табл. 2.7.

Номер серии элементов ЭСЛ	tP, НС	Рсс, мВт	Ап, пДж
К1500	0,75

Микросхемы ЭСЛ серии 500 изготовляют по полупроводниковой диффузионной планарно-эпитаксиальной технологии. Все компоненты микросхемы размещают в одном кристалле кремния и изолируют обратно смещенными р-п переходами. Ком­поненты формируются диффузией примесей в тонком эпитаксиальном слое монокристаллического кремния.

Схема типового логического элемента ЭСЛ серии 500 показана на рис. 2.21.

Схема ЭСЛ включает:

Ø переключатель тока (логические транзисторы VT1, VT2, опорный транзи­стор VT3, резисторы R1, R2, R3);

Ø источник опорного смещения (транзистор УТЛ, диоды VD1, VD2, резисторы R5,R6);

Ø выходные эмиттерные повторители (транзисторы VT5, VT6).

Напряжение на открытом переходе база-эмиттер кремниевого транзистора яв­ляется постоянным параметром U^*= 0,8 В. При описании работы элемента берут соглашение отрицательной логики: значение лог. 0 отображается высоким (с учетом знака) уровнем напряжения U_H = –0,9 В; значение лог. 1 отображается низким уров­нем напряжения U_L = –1,7 В. Амплитуда (перепад) логического сигнала Um = –U_H –U_L = 0,8 В. Опорное напряжение переключателя тока располагается симмет­рично относительно уровней двоичных сигналов и определяется как их среднее: U_оп = –(U_H+U_L)/2=1,3 B.

Если хотя бы на один из входов подано напряжение U_H = -0,9 В, то данный транзистор открывается, на него переключается ток I_э, что создает на резисторе R₁ падение напряжения минус 0,9 В. При этом опорный транзистор закрытый и на ре­зисторе R2 падение напряжения равно минус 0,1 В.

Если на всех входах поданы уровни U_L = -1,7 В, то транзисторы VT1 и VT2 за­крываются, а транзистор VT3 открывается и на него переключается ток I_э. В этом случае падение напряжения на резисторе R1 равно минус 0,1 В, а на резисторе R2 минус 0,9 В. При этом на коллекторах левого и правого плеча уровни напряжения не соответствуют принятому значению двоичного сигнала. Эмиттерные повторители на транзисторах VT5 и VT6 смещают уровни сигналов, поступающих на их базы с лево­го и правого плеча переключателя, на U = 0,8 В в сторону отрицательных сигналов:

Вследствие этого уровни входных и выходных сигналов соответствуют приня­тому стандарту. Временные диаграммы работы элемента ЭСЛ показаны на рис. 2.22.

Как следует из временных диаграмм, входные и выходные логические сигналы изменяются на ±0,4 В относительно опорного напряжения.

В отрицательной логике элемент ЭСЛ реализует на прямом выходе F функцию И, а на инверсном выходе У — функцию НЕ-И, что записывается как НЕ-И/И. В по­ложительной логике элемент ЭСЛ реализует функцию НЕ-ИЛИ/ИЛИ.

Резисторы R7 и сопротивлением 50 кОм подключены к источнику отрица­тельного питания и обеспечивают протекание обратного базового тока, а также на­дежное запирание неиспользуемых входных транзисторов (незадействованные вхо­ды не требуется подключать к лог. 1). Кроме того, эти резисторы служат нагрузкой для источников входных сигналов.

В элементах ЭСЛ серии 500 нагрузочные резисторы эмиттерного повторителя (ЭП) вынесены за пределы микросхемы, что снижает рассеиваемую мощность на кристалле и обеспечивает возможность организации монтажной логики. Внешние нагрузочные резисторы сопротивлением 0,3-3,0 кОм подключаются между выходом ЭП и основным источником отрицательного питания минус 5,2 В. При работе на низ­коомную нагрузку 50-200 Ом резисторы могут подключаться к дополнительному по­ниженному источнику питания минус 2,0 В.

Подключение отрицательного напряжения питания к эмиттерной цепи и зазем­ление коллекторов обеспечивает лучшую помехоустойчивость и меньшую зависи­мость выходных сигналов от наводок в цепях эмиттера. Сопротивление резистора R3 в несколько раз больше сопротивлений R1 и R2, чем достигается постоянство то­ка I_э в плечах переключателя тока. Кроме того, соотношение сопротивлений рези­сторов R1, R2 и R3 подобрано таким образом, чтобы на выходе закрытого плеча ус­танавливалось напряжение минус 0,1 В за счет протекания тока базы ЭП, а на вы­ходе открытого плеча напряжение составляло минус 0,9 В за счет протекания то­ка I_Э.

Коллекторы ЭП подключены к отдельной шине земли. Это связано с тем, что токи повторителей носят импульсный характер и создают помехи в проводниках, подводящих напряжение.

В элементах ЭСЛ допускается объединение выходов, как показано на рис. 2.23. Объединение прямых выходов увеличивает коэффициент объединения по И; объе­динение инверсных выходов позволяет реализовать функцию НЕ-И-ИЛИ.

Элементы ЭСЛ серии 500 обладают функциональной и технической полнотой. Серия 500 включает широкий набор микросхем: логические элементы, триггеры, ре­гистры, счетчики, дешифраторы, мультиплексоры, АЛУ.