Логические элементы изнутри. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Начинающему радиолюбителю

 Комментарии к статье

Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры, счетчики, элементы арифметических устройств (выполняющие различные математические операции) и т.д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать цифровое устройство, выполненный на базе микросхем данной серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы диодно-транзисторной логики (ДТЛ). резистивно-транзисторной логики (РТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСТЛ), микросхемы на так называемых комплиментарных МДП структурах (КМДП). Элементы КМДП цифровых микросхем используют пары МДП-транзисторов (со структурой металл - диэлектрик-полупроводник) - с каналами p- и n-типов. Базовые элементы остальных типов выполнены на биполярных транзисторах.

В радиолюбительской практике наибольшее распространение получили микросхемы ТТЛ серии и КМДП. На (рис. 1) показана схема базового логического элемента И-НЕ ТТЛ. На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VТ1. Если на все его эмиттеры подать напряжения высокого уровня, то эмиттерный переход транзистора окажется закрытым. При этом ток. протекающий через резистор R1 и коллекторный переход транзистора VТ1, откроет транзистор VТ2.

Падение напряжения на резисторе R3 будет достаточным для открывания транзистора VТ5. Напряжение на коллекторе транзистора VТ2 таково, что транзистор VТ3 закрыт, соответственно закрыт и транзистор VТ4. В результате на выходе элемента появится напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0.

Если же хоть на один из входов элемента подать напряжение низкого уровня, то эмиттерный переход транзистора VТ1 откроется, а транзисторы VТ2 и VТ5 будут закрыты. Транзистор VТЗ откроется за счет тока, протекающего через резистор R2, войдет в режим насыщения. Соответственно откроется транзистор VТ4, и на выходе элемента появится напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Следовательно, рассмотренный элемент выполняет функцию И-НЕ.

В состав микросхем серий ТТЛ входит также логический элемент И-НЕ без коллекторной нагрузки в выходном каскаде. Это так называемый элемент И-НЕ с открытым коллектором. Он предназначен для работы на внешнюю нагрузку, в качестве которой могут быть использованы электромагнитные реле, индикаторные приборы и т. д., еще схемы с открытым коллектором применяются в шинах передачи данных в случаи когда две или более выходов подключены к одной физической линии рисунок 1.

Рис. 1

Напомним, что структура КМДП является идеальным переключателем напряжения. Такой переключатель содержит два МДП транзистора с каналами p- и n-типов. При подаче на вход переключателя напряжения высокого уровня открывается n-канальный транзистор и закрывается p-канальный. На рисунок 2 изображены схемы базовых элементов И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ (б) микросхем КМДП. Напряжение низкого уровня (логический 0) будет на выходе элемента И-НЕ только при одновременной подаче напряжений высокого уровня (логических 1) на все входы X1-ХЗ. Если напряжение хотя бы на одном из входов (например, X1) будет низкого уровня то закроется n-канальный транзистор VТ6, и откроется p-канальный транзистор VТ1, через канал которого выход элемента подключается к источнику питания.

Таким образом, на выходе будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Для реализации базового логического элемента ИЛИ-НЕ на КМДП структурах участки схемы, содержащие последовательно и параллельно включенные транзисторы, следует поменять местами рисунок 2,б.

Рис. 2 (нажмите для увеличения)

Микросхемы ТТЛ рассчитаны на напряжение источника питания 5 В±10%. большая часть микросхем на КМДП структурах устойчиво работает при напряжении питания 3-15 В, некоторые - при напряжении 9 В±10%. Уровни логических 0 и 1 должны отличаться возможно больше. Различают пороговое логической 1 U1пор - наименьшее напряжение высокого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логического 0 до уровня логической 1, а также пороговое напряжение логического 0 U0пор - наибольшее напряжение низкого уровня на входе микросхемы, при котором напряжение на выходе изменяется от уровня логической 1 до уровня логического 0.

Прежде чем перейти к детальному рассмотрению наиболее распространенных серий микросхем и цифровых устройств на их базе, остановимся на основных параметрах логических элементов. К ним относятся напряжение источника питания, уровни напряжений логического 0 и логической 1, нагрузочная способность, помехоустойчивость и быстродействие, потребляемая мощность.

Для микросхем ТТЛ серий U1пор =2,4 В; U0пор =0,4 В. Напряжение низкого и высокого уровней на выходе микросхем ТТЛ U1вых>=2,4В, U1вых<=0,4В.

Для микросхем на КМДП структурах U1пор>0,7* Uпит, U0пор>0,3* Uпит то же время отклонения выходных напряжений U0вых и U1вых от нулевого значения и напряжения источника питания соответственно достигают всего нескольких десятков милливольт. Способность элемента работать на определенное число входов других элементов без дополнительных устройств согласования характеризуется нагрузочной способностью.

Чем выше нагрузочная способность, тем меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Однако при повышении нагрузочной способности другие параметры микросхем ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность. В связи с этим в составе различных серий микросхем есть так называемые буферные элементы с нагрузочной способностью, в несколько раз большей, чем у основных элементов. Количественно нагрузочная способность оценивается числом единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы. В свою очередь единичной нагрузкой является вход основного логического элемента данной серии.

Коэффициент разветвления по выходу для большинства логических элементов серий ТТЛ серии к155 составляет 10, для микросхем серий к561 КМДП - до 100. Помехоустойчивость базовых логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая помехоустойчивость определяется уровнем напряжения, подаваемого на вход элемента относительно уровней логических 0 и 1, при котором состояние на выходе схемы не изменяется. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для микросхем серий КМДП не менее 30% напряжения питания. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения логического элемента и его статической помехоустойчивости.

Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой, т. е. максимальной частотой переключения триггера, выполненного на этих базовых элементах. Предельная рабочая частота микросхем ТТЛ серии к155 составляет 10 МГц. а микросхем серий к176 и к561 на КМДП структурах лишь 1 МГц. Быстродействие определяется так же, как среднее время задержки распространения сигнала.

Рис. 3

tзд.р.ср.=0,5(t1,0зд.р+t0,1зд.р), где t1,0зд.р и t0,1зд.р - времена задержки распространения сигнала при включении и выключении рисунок 3.

Среднее время задержки распространения сигнала является более универсальным параметром микросхем, так как, зная его. можно рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы суммированием tзд.р.ср для всех последовательно включенных микросхем. Для микросхем серии К155 tзд.р.ср составляет около 20 нс, а для микросхем серии К176 - 200 нс. Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях логического нуля (Р0) и логической единицы на выходе (Р1). В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления Рср=(Р0+Р1)/2.

Статическая средняя мощность потребления базовых элементов серии К 155 составляет несколько десятков милливатт, а у элементов серий К176 и К561 она более чем в тысячу раз меньше. Следовательно, при необходимости построения цифровых устройств с малым током потреблен нем целесообразно использовать микросхемы на КМДП структурах. Однако следует учитывать, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает. Поэтому помимо Рср задается также мощность Рдин, измеряемая на максимальной частоте переключений.

Необходимо иметь в виду. что с повышением быстродействия мощность, потребляемая микросхемой увеличивается

Автор: -=GiG=-, gig@sibmail; Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Начинающему радиолюбителю.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Стресс заставляет организм стареть быстрее 09.12.2021 Ученые из Йельского университета выяснили, насколько хронический стресс ускоряет биологические часы и есть ли способы замедлить его и продлить здоровую жизнь. Для этого авторы использовали эпигенетические часы - совокупность эпигенетических меток ДНК, позволяющую определить биологический возраст ткани, клетки или органа. Стресс действительно ускоряет старение организма, но человек может справиться с последствиями, усилив регуляцию эмоций и самоконтроль. Длительный стресс, например, увеличивает риск сердечных заболеваний, зависимости, расстройств настроения и посттравматического стрессового расстройства. Она добавила, что стресс может влиять на метаболизм, ускоряя развитие заболеваний, связанных с ожирением, таких как диабет. Он также лишает человека способности управлять эмоциями и ясно мыслить. В исследовании ученых приняли участие 444 человека в возрасте от 19 до 50 лет, которые предоставили образцы крови, используемые для оценки возрастных химических изменений, а также другие показатели здоровья. Участники также ответили на вопросы, призванные выявить уровень стресса и психологическую устойчивость. Даже после учета демографических и поведенческих факторов, таких как курение, индекс массы тела, раса и доход, авторы обнаружили, что у тех, кто набрал высокие баллы по показателям хронического стресса, наблюдались маркеры ускоренного старения и физиологические изменения, такие как повышенная инсулинорезистентность. Однако стресс не повлиял на здоровье всех в одинаковой степени. Субъекты, получившие высокие баллы по двум параметрам психологической устойчивости - регуляции эмоций и самоконтролю, - были более устойчивы к воздействию стресса на старение и инсулинорезистентность соответственно. Эти результаты подтверждают популярное мнение о том, что стресс заставляет нас стареть быстрее, но они также предлагают многообещающий способ минимизировать эти неблагоприятные последствия стресса за счет усиления регуляции эмоций и самоконтроля. Другими словами, чем психологически более устойчивым является субъект, тем выше вероятность того, что он проживет более долгую и здоровую жизнь.

Другие интересные новости:

▪ Подводный вулкан

▪ Синтез алмазов при нормальном давлении

▪ Более эффективный аналог детектора лжи

▪ Нанороботы для здоровья человека

▪ Навигация на атомных часах заменит GPS

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электропитание. Подборка статей

▪ статья Дарвин Чарлз. Биография ученого

▪ статья Почему ворона считается вредной птицей? Подробный ответ

▪ статья Начальник производственного отдела. Должностная инструкция

▪ статья Устройство проходов через стены, пересечения проводок. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Бутылкофон. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026