内部からの論理要素。スキーム、説明

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内部からのロジック要素。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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デジタルマイクロ回路は、デジタル情報を処理、変換、保存するために設計されています。それらはシリーズで発行されます。各シリーズ内には、論理要素、トリガー、カウンター、算術デバイスの要素 (さまざまな数学演算を実行する) など、機能によって結合されたデバイスのグループがあります。シリーズの機能構成が広いほど、このシリーズのマイクロ回路に基づいて作成されたデジタルデバイスの機能が大きくなります。各シリーズに含まれる超小型回路は、単一の設計と技術設計、単一の電源電圧、同じレベルの論理 0 と論理 1 信号を備えているため、同じシリーズの超小型回路に互換性があります。

デジタルマイクロ回路の各シリーズの基礎は、基本的な論理要素です。原則として、基本的な論理要素はAND-NOTまたはOR-NOT演算を実行し、構造の原則に従って、次の主なタイプに分類されます。ダイオードトランジスタロジック（DTL）の要素。抵抗 - トランジスタロジック（RTL）、トランジスタ - トランジスタロジック（TTL）、エミッタ結合トランジスタロジック（ESTL）、いわゆる相補型MIS構造（CMDP）のマイクロ回路。デジタルマイクロ回路のKMDP要素は、p型およびn型チャネルを備えたMISトランジスタ（金属 - 誘電体 - 半導体構造）のペアを使用します。他のタイプの基本的な要素はバイポーラトランジスタで作られています。

アマチュア無線の実践において、最も広く使用されているマイクロ回路は、TTL シリーズと KMDP です。図 1 に、基本的な TTL NAND ゲートの回路図を示します。マルチエミッタトランジスタ VT1 は、素子の入力でオンになります。すべてのエミッタに高電圧が印加されると、トランジスタのエミッタ接合が閉じます。同時に電流も。抵抗器Ｒ１およびトランジスタＶＴ１のコレクタ接合を流れる電流は、トランジスタＶＴ２を開く。

抵抗R3の両端の電圧降下は、トランジスタVT5を開くのに十分です。トランジスタＶＴ２のコレクタの電圧は、トランジスタＶＴ３が閉じられ、それに応じてトランジスタＶＴ４が閉じられるようなものである。その結果、ロジック2に対応する低レベルの電圧がエレメントの出力に現れます。

しかし、低レベル電圧が素子の入力の少なくとも 1 つに印加されると、トランジスタ VT2 のエミッタ接合が開き、トランジスタ VT5 と VT2 が閉じます。 VTZ トランジスタは、抵抗 R4 を流れる電流によって開き、飽和モードに入ります。これにより、VT1 トランジスタが開き、論理 XNUMX に対応するハイレベル電圧が素子の出力に現れるため、対象の素子は NAND 機能を実行します。

TTL シリーズマイクロ回路には、出力段にコレクタ負荷のない NAND ロジック要素も含まれています。いわゆるオープンコレクタのNAND素子です。これは、電磁リレーや表示装置などの外部負荷で動作するように設計されており、オープンコレクタ回路は、1 つ以上の出力が XNUMX つの物理回線に接続されている場合のデータ伝送バスにも使用されます (図 XNUMX)。

内側からの論理要素
図。 1

CMDS 構造が理想的な電圧スイッチであることを思い出してください。このようなスイッチには、p 型チャネルと n 型チャネルを持つ 2 つの MIS トランジスタが含まれています。スイッチの入力に高レベルの電圧が印加されると、n チャネルトランジスタが開き、p チャネルトランジスタが閉じます。図0は、KMDPマイクロ回路のAND-NOT（a）およびOR-NOT（b）の基本要素の図を示しています。高レベル電圧 (論理 1) がすべての入力 X1 ～ X1 に同時に印加された場合にのみ、低レベル電圧 (論理 6) が AND-NOT 要素の出力になります。入力の少なくとも1つ（たとえば、XXNUMX）の電圧が低い場合、nチャネルトランジスタVTXNUMXが閉じ、pチャネルトランジスタVTXNUMXが開き、素子の出力がそのチャネルを介して電源に接続されています。

したがって、出力はロジック 1 に対応するハイレベル電圧になります。CMOS 構造上に基本的な OR-NOT ロジック要素を実装するには、直列接続と並列接続されたトランジスタを含む回路セクションを図 2,b で交換する必要があります。

米。 2（クリックで拡大）

TTL チップは、5 V ± 10% の電源電圧用に設計されています。 CMOS構造に基づくほとんどの超小型回路は、3〜15 Vの供給電圧で安定して動作し、一部は9 V ± 10%の電圧で動作します。ロジックレベル 0 と 1 はできるだけ異なる必要があります。しきい値論理1 U1thorがあります - 出力電圧が論理0のレベルから論理1のレベルに変化するマイクロ回路の入力での最小の高レベル電圧、および論理0のしきい値電圧U0thor -出力電圧が論理1のレベルから論理0のレベルに変化する、マイクロ回路の入力における最高の低レベル電圧。

最も一般的な一連の超小型回路とそれらに基づくデジタルデバイスの詳細な検討に進む前に、論理要素の主なパラメータについて説明しましょう。これらには、電源電圧、ロジック 0 およびロジック 1 の電圧レベル、負荷容量、ノイズ耐性と速度、消費電力が含まれます。

TTL シリーズマイクロ回路の場合、U1por = 2,4 V。 U0por =0,4 V。TTL マイクロ回路の出力におけるローおよびハイレベル電圧 U1out>=2,4V、U1out<=0,4V。

KMDP 構造に基づくマイクロ回路の場合、U1por>0,7* Upit、U0pore>0,3* Up 同時に、出力電圧 U0out および U1out のゼロおよび電源電圧からの偏差は、それぞれわずか数十ミリボルトに達します。追加の整合デバイスなしで、ある要素が他の要素の特定の数の入力で動作できるかどうかは、負荷容量によって特徴付けられます。

負荷容量が大きいほど、デジタルデバイスを実装するときに必要な要素が少なくなる可能性があります。ただし、負荷容量が増えると、マイクロ回路の他のパラメータが劣化します。速度とノイズ耐性が低下し、消費電力が増加します。この点で、さまざまな一連のマイクロ回路の一部として、主要な要素の数倍の負荷容量を持ついわゆるバッファ要素があります。定量的には、負荷容量は、マイクロ回路の出力に同時に接続できる単位負荷の数によって推定されます。同様に、単一の負荷は、このシリーズの主要な論理要素の入力です。

TTL k155 シリーズのほとんどのロジックエレメントの出力分岐係数は 10 ですが、k561 KMDP シリーズマイクロ回路の場合は最大 100 です。基本ロジックエレメントのノイズ耐性はスタティックモードとダイナミックモードで評価されます。この場合、静的ノイズ耐性は、回路の出力の状態が変化しない論理レベル 0 および 1 に対して、素子の入力に供給される電圧レベルによって決まります。 TTL 素子の場合、静的ノイズ耐性は少なくとも 0,4 V、KMDP シリーズのマイクロ回路の場合は電源電圧の少なくとも 30% です。動的ノイズ耐性は、干渉信号の形状と振幅に加え、論理要素のスイッチング速度とその静的ノイズ耐性にも依存します。

基本要素の動的パラメータは、まず速度によって評価されます。定量的には、パフォーマンスは制限動作周波数、つまりこれらの基本要素で実行されるトリガーの最大スイッチング周波数によって特徴付けることができます。 k155 シリーズの TTL チップの制限動作周波数は 10 MHz です。 CMDP構造のk176およびk561シリーズのマイクロ回路はわずか1 MHzです。性能は、平均信号伝搬遅延時間と同じ方法で定義されます。

内側からの論理要素
図。 3

tsp.r.av.=0,5(t1,0zd.r+t0,1zd.r)、ここで、t1,0zd.r および t0,1zd.r - スイッチをオンおよびオフにするときの信号伝播遅延時間図 3.

平均信号伝播遅延時間は、それがわかっているため、マイクロ回路のより普遍的なパラメータです。すべての直列接続されたマイクロ回路の tzd.r.sr を合計することで、複雑な論理回路の速度を計算することができます。 K155 シリーズのマイクロ回路の場合、tsp.r.sr は約 20 ns、K176 シリーズのマイクロ回路の場合は 200 ns です。静的モードでマイクロ回路が消費する電力は、出力 (P0) の論理 1 (P0) と論理 1 のレベルで異なることがわかります。これに関して、平均消費電力Рср=(Р2+РXNUMX)/XNUMXが測定されます。

K 155 シリーズの基本素子の静的平均消費電力は数十ミリワットですが、K176 および K561 シリーズの素子ではそれが XNUMX 分の XNUMX 以下です。したがって、消費電流が低いデジタルデバイスを構築する必要がある場合は、KMDP 構造に基づくマイクロ回路を使用することをお勧めします。ただし、ダイナミックモードで動作する場合、ロジックエレメントによって消費される電力が増加することを考慮する必要があります。したがって、Рср に加えて、最大スイッチング周波数で測定された電力 Рdin も設定されます。

心に留めておく必要があります。速度が上がると、チップによって消費される電力が増加します

作者: -=GiG=-, gig@sibmail; 出版物: cxem.net

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