4.1 Digitální integrované obvody TTL. Vstupní charakteristika i VST (u VST ) U h. Základní stavební jednotkou je logický člen NAND

Transkript

1 . Digitální integrovné obvody TTL Zákldní stvební jednotkou je logický člen NND i vst m Vstupní chrkteristik i VST (u VST ) - 5 V 7 R K R K6 R R +5 V Příkldy technologického řešení: - - u vst vstup je spojen se společným vodičem trnzistor T uzvřen i c = i vst B u u B D D B T R K T D T T i výst SN7LS M7HCT Philips 7HCT vstupní proud i vst = i B = (U C -u BE )/R odpovídjící část vstupní chrkteristiky má přibližně ě přímkový chrkter se směrnicí ě i VST /u VST /R U = 5 V c = i vst zvyšování vstupního npětí m rozhodovcí (prhové) vstupní npětí je, ž,5 V trnzistor T se zčíná otvírt, protože do jeho báze zčíná vtékt proud při i VST = m veškerý proud rezistorem R teče do báze T T T v sturci, u B =(, ž,5) V T přechází do inverzního režimu, při i VST = m bude mezi C E minimální npětí, pro U T 5 mv, α N =,98 bude u CES -,5 mv u U + h ln E ces = T = U T he ln α N V dlší zvyšování vstupního npětí u vst proud T: i VST β i.i B = β i (U C -u BE )/R = 8 μ při dlším zvyšování vstupního npětí se proud téměř nemění, ž při npětí 7 ž 8 V dochází k průrzu přechodu emitor-báze T, při kterém musí být vstupní proud omezen n ž m proto mximální vstupní npětí udává výrobce 5,5 V.

2 Výstupní chrkteristik i VÝST (u VÝST ) i vst i výst u VÝST = pro kldná npětí m V záporná vstupní npětí u vst ž do,7 V lineární tvr chrkteristiky zápornější npětí => otvírá se diod D, resp. DB spolu s otevřeným T určuje tvr chrkteristiky mximální velikost vstupního proudu je omezen z důvodu ztrátového výkonu n ž 5 m 5 m stv n výstupu 5 V stv n výstupu T nsycen, chrkteristik i C (u CE ) určuje průběh výstupní chrkteristiky logického členu mlé výstupní proudy: u VÝST = u CES, V při zvyšování výstupního proudu roste výstupní npětí R VÝST je určen odporem nsyceného trnzistoru T ( ž 5 Ω) i VÝST m přechází T z nsyceného do ktivního režimu => výstupní npětí prudce vzrůstá 5 6 stv pro logickou n výstupu výstupní chrkteristik je určen chrkteristikou trnzistoru T i výst 5 m stv n výstupu u VÝST = pro záporná npětí i výst 5 m při dlším snižování se T dostává do ktivního režimu R dvýst klesá z MΩ n 7 ž 8 Ω stv s n výstupu při velkých výstupních npětích teče výstupem minimální kldný proud, i VÝST μ T je uzvřen V stv n výstupu v oblsti záporných npětí závisí průběh chrkteristiky n vlstnostech substrátové diody mezi kolektorem T společným vodičem V stv n výstupu při u VÝST = (, ž,5 V) i VÝST = m zbytkový proud trnzistoru T se kompenzuje z T v oblsti menších výstupních npětí je T v nsyceném stvu R dvýst 6 Ω zkrtový proud při u VÝST < V se opět upltňuje substrátová diod n výstupu 8

3 Převodní chrkteristik TTL u VÝST (u VST ) = U c= 5 V V Čtyři typické oblsti: ) mlá vstupní npětí (,6 ž,8 V) u VÝSTH =, ž,7 V b) při zvětšování u VST se otvírá T jeho npěťové zesílení R /R -, udává přibližně sklon převodní chrkteristiky v oblsti klesjícího u VÝST 5 V 5 V u vst tvr chrkteristiky: - velikost npájecího npětí - chrkter připojené zátěže - prcovní teplot obvodu šrfování vyznčuje zkázné oblsti, do kterých pro dná vstupní npětí (u VSTL <,8 V u VSTH > V) nesmí výstupní npětí ě u VÝST zsáhnout 5 V 5 V u vst c) při u VST, V se zčíná otevírt i výstupní trnzistor T poněvdž je připojen prlelně k rezistoru R jeho vstupní odpor R VST klesá, zvětšuje se zesílení T úměrně poměru - R /(R R VST ), chrkteristik je velmi strmá d) dlší zvětšování u VST způsobí rychlý pokles výstupního npětí n hodnotu sturčního npětí výstupního trnzistoru T, n výstupu členu je typické npětí u VÝSTL, V 9 rychlá změn u VÝSTL při zpětném snižování vstupního npětí v okolí u VST, V je dynmickým jevem, kdy se trnzistor T otevírá dříve, než stčí přejít trnzistor T ze stvu nsycení do stvu zhrzení, po určitou dobu tedy vedou trnzistory T T součsně výstupním obvodem protéká zkrtový proud, vrcholová hodnot zkrtového proudu doshuje u stndrdní řdy TTL 5/7 TTL ž 5 m, dob trvání tohoto proudového impulsu závisí n velikosti kpcitní zátěže výstupu strmosti hrny budicího vstupního npětí Dynmické prmetry obvodů TTL udává výrobce nepřímo, to pomocí typických čsových zpoždění rekce výstupu logického členu při skokové k změně ě ě logické hodnoty vstupního signálu npř. pro řdu TTL udává výrobce TI dobu zpoždění rekce (zdržení) logického členu při přechodu z úrovně L n úroveň H hodnotou t PLH < ns při přechodu z úrovně H n úroveň L hodnotou t PHL < 5 ns

4 Dlší vrinty obvodů TTL 7S R K8 R 9R R 5R + 5 V vyvinuty s cílem: -buďzmenšit příkon, - nebo zmenšit zpoždění signálu, - nebo v optimálním přípdě zmenšit i příkon i zpoždění. B T R 5R T R 5R T 5 R 5 K5 T 5 T Y tk vznikly v řdě 5/7 vrinty L, LS, LS, H, S, S, z nichž dnes mjí největší upltnění moderní zdokonlené vrinty LS S podsttné omezení rychlosti obvodů TTL vyplývá z čsového zpoždění, které je nutné pro přechod trnzistoru z nsyceného stvu do stvu zhrzení rychlé logické obvody TTL proto používjí ke zvýšení rychlosti Schottkyho trnzistory, což jsou trnzistory, mjící mezi kolektor bázi připojenu Schottkyho desturční diodu, která zbrňuje přechodu trnzistoru do nsycení rychlost členu je zvýšen zmenšením odporu jeho prcovních rezistorů D D B jiná konfigurce výstupního obvodu pro (vlivem T,T 5 v Drlingtonově dvojici se snižuje výstupní dynmická n hodnotu si Ω při výstupním signálu náhrd rezistoru R ktivním obvodem s T 6 R, R (tento obvod urychluje otevírání trnzistoru T, omezuje přesycování báze T ndměrným proudem, je-li T otevřen, zlepšuje teplotní chování obvodu, neboť snižuje závislost dynmických prmetrů n teplotě zlepšuje tvr převodní chrkteristiky) T 6 Vnitřní zpojení obvodu 7LS + 5 V R 7K R 5K R K R 7 5R Výkonnost logických hrdel TTL T T T 6 D T 7 R 5K D T Y B T B R 5 K8 R 6 5K6 T 5 t d průměr čsové zpoždění D B T P d příkon n jeden člen D B f m mximální kmitočet 5 6

5 Digitální integrovné obvody IIL Integrovná injekční logik IIL (Integrted Injection Logic) využívá k proudovému buzení bipolárních spíncích trnzistorů injekci minoritních nosičů proudu do báze pomocí injektoru tvořeného trnzistorem PNP nikoliv klsického buzení ze zdroje npájecího npětí přes sériový rezistor. Tím znčně klesá ztrátový výkon tedy i potřebný příkon obvodu součsně se podsttně zvyšuje počet součástek, které lze n čipu téže plochy integrovt. X I N T INJ T Y Y Y Y X Y YY Y Kolektor injekčního trnzistoru T je spojen s bází vícekolektorového trnzistoru T, báze trnzistoru T je součsně emitorem trnzistoru T. Emitor trnzistoru t T (lterální trnzistor t PNP) slouží jko injektor nosičů náboje. Difuzí se minoritní nosiče dostávjí do kolektorového obvodu tohoto trnzistoru tím i do báze trnzistoru T (vícekolektorový trnzistor NPN). 7 Zákldní logickou funkcí obvodu je inverze logického signálu z jednoho společného vstupu (báze T) n několik výstupů (kolektory T). Poždovné dlší logické funkce se u obvodů IIL vytvářejí vhodným spojováním jejich výstupů podle prvidel Booleovy lgebry. Příkldy spojování elementárních spíncích obvodů IIL pro získání logických funkcí NND NOR. Je zde schemticky nznčeno spojení dvou elementárních členů pro vytvoření klopného obvodu typu RS. B B B.B B. B = + B b c S S S R R R 8 Q Q Ztrátový výkon ( tedy i nutný příkon) je u obvodů IIL velmi mlý. Velikost npájecího proudu určuje dobu zpoždění signálu při průchodu hrdlem. Převodník TTL/IIL Závislost mezi proudem I N výsledným zpožděním je pro normlizovnou hodnotu zpoždění t pd /t pd. Vztžná hodnot zpoždění je přibližně t pd = ž ns. t t pd pd Protože vstupní npětí injektoru je přibližně konstntní, u INJ,85 V (je to úbytek npětí u EB n propustně pólovném přechodu EB trnzistoru T ), bude příkon jednoznčně dán průměrnou hodnotou npájecího proudu IN injektoru. U čipů připdá n jeden z n logických členů průměrný proud I N /n. u VST TTL D R K R K T u VÝST IIL,,,, μ I N 9 5

6 Logické obvody v technologii ECL ECL -v několik typových řdách, které se znčně liší odpory rezistorů, větší odpory - menší potřebný příkon, menší rychlost nopk R 9 R logické operce NOR nebo OR. OR T T ž 8 Ω T 5 R7 u Lmin - 5, V - 5, V u Lmx u Hmin -,5 -, u Hmx -,5 V -,75 V -,5 V -,69 V -,5 V u u u Lmin u Lmx u Hmin u Hmx - 5, V -, -, -,5 u u T T T T u u u R K8 (-,75 V) R K5 u (NOR) U EE = - 5, V R 5 K5 u (OR) 5, V -,75 V b R 6 K U EE = - 5, V ECL (emitter-coupled logic), bipolární trnzistory ktivní oblsti jko řízené přepínče proudu vyšší rychlost, logická funkce OR, mlá výstupní dynmická impednce přibližně ž 8 Ω, výstupní signály nvzájem inverzní, stbilní referenční stejnosměrné npětí = -,75 V npájecí npětí logických obvodů ECL U EE = -5, V D D R 8 K6 NOR -,7 V -,85 V -,75 V -,5 V u Hmx u Hmin -, V -,5 V u Lmx -,8 V u Lmin -,5 V šrfování vyznčuje tolernční oblsti, v nichž se může vyskytnout hodnot výstupního npětí u pro dné povolené hodnoty vstupního npětí u ; jmenovité hodnoty přitom jsou u L = -,58 V u H = -,76 V OR -,5 V u Hmx u Hmx -, V -,5 V u Lmx u Lmin -, V Logické obvody v technologii CMOS typické vlstnosti komplementární technologie CMOS: -původně nvržen pro zřízení s omezenými kpcitmi npájecích zdrojů, - velký rozsh npájecích npětí, - jednoduché npájení, - velmi mlý příkon ve sttickém režimu - velká šumová imunit, která se zvětšujesezvětšujícím se npájecím npětím, - velký logický zisk, - reltivně mlé čsové zdržení při přenosu ze vstupu n výstup (u obvodů HCMOS srovntelné s obvody LS TTL), -velký rozsh prcovních íhteplot, t - ochrn všech vstupů výstupů proti přepětí stndrdní řd obvodů /5. Zákldní invertor v technologii CMOS dv trnzistory prcující v obohcovcí módu činnosti T vodivostní knál typ N T vodivostní knál typ P při u VST = H nebo L je klidový proud velmi mlý (n) diody slouží jko ochrn proti vlivům sttické elektřiny proti přepólování rozsh npájecích npětí ž 8 V (řd /5) 6

7 Převodní chrkteristik CMOS Tvr těchto chrkteristik je podmíněn postupným přechodem trnzistoru T z ktivní oblsti jeho výstupních chrkteristik (vějířovitě se rozbíhjící soustv chrkteristik v okolí počátku souřdnic, vyznčujících se velkou strmostí) přes oblst proudové sturce (téměř přímkové chrkteristiky, prkticky rovnoběžné s osou npětí) do stvu zhrzení (chrkteristik splývjící s osou npětí - trnzistorem teče jen zbytkový proud) souběžně probíhjícím přechodem trnzistoru T ze stvu zhrzení přes oblst sturce do ktivní oblsti. V u O 8 6 U DD = 5 V U DD = V U DD = 5 V u O (u I ) Ob trnzistory prcují s obohcením, při nulovém npětí hrdl G trnzistoru vzhledem k jeho emitoru S je trnzistor uzvřen. K otevření trnzistoru s knálem typu N je třeb přivést n jeho hrdlo kldné npětí U GSN převyšující jeho prhové npětí U PN. Trnzistor s knálem typu P se otevírá záporným npětím hrdl vzhledem k jeho emitoru U GSP, toto npětí musí být zápornější, než prhové npětí trnzistoru U PP. 5 TTL 6 8 V u I Převodní chrkteristik pro různá npájecí npětí 6 m i D 8 V 6 u O U DD U DD -, H 8 6 U C = 5 V C 8,7U DD nedef. U C = V U C = 5 V 6,U DD L V V, V u I U DD Proudový odběr hrdl v závislosti n vstupním npětí Překrytí úrovní vstupních výstupních npětí pro přípustné hodnoty npájecích npětí 7 8 7

8 + U N + U N x y = x x x y = x + x x x b Zpojení hrdel ) NOR b) NND 9 Digitální integrovné obvody řdy 5HC/7HC 5HCT/7HCT konstruovány tk, by mohly přímo nhrdit obvody TTL bez problému s nimi spoluprcovt vyrobeny technologií CMOS npájecí npětí U CC = ž 6 V bez potíží je lze budit obvody CMOS i TTL zručovné výstupní npětí obvodů TTL u OH >, V všk nebude stčit pro vybuzení obvodu CMOS při U CC = 5 V u IH >,5 V, je nutné použít pomocný rezistor s odporem kolem kω připojený mezi vstup +5 V rozložení vývodů v pouzdře je shodné s obvody TTL příkld obvodu 7HCT 5 V u O LS HC u O (u I ) 5 V u I Převodní chrkteristiky LSTTL HCMOS příkon obvodů 7HC je význmný především v dynmickém provozu, ve sttickém režimu je příkon v průměru µw pro elementární hrdlo, změn teploty - vliv n příkon obvodu: při zvýšení teploty z 5 C n 85 C se npájecí proud při U CC = 6 V zvětší z µ n µ (příkon se zvětší z µw n µw) dlší zvýšení n mximální přípustnou teplotu 5 C se projeví npájecím proudem µ odpovídjícím ztrátovým výkonem µw 8

9 Digitální integrovné obvody FCT řdy 7C 7HC, m -, i I u I (i I ), 6 V u I npájecí npětí U CC = ž 6 V 7C předstvují skupinu rychlých obvodů CMOS se vstupními úrovněmi CMOS posílenými výstupy CMOS (ž ± m) 7CT přestvují skupinu rychlých obvodů CMOS, le jsou uprveny tk, by při U CC = 5 V mohly přímo prcovt s obvody TTL 5. ZÁSDY NVRHOVÁNÍ DIGITÁLNÍCH OBVODŮ SYSTÉMŮ prktické zkušenosti, pochopením fyzikální podstty jevů v jednotlivých stvebních prvcích jejich vzájemných interkcí ukáží, které obvykle doporučovné plikční zásdy je nutné v dné situci dodržet které lze obejít, popř. které vlstnosti obvykle uváděné jko nevýhodné je možné s výhodou využít k dosžení potřebného efektu. Jde především o plikční zásdy pro následující přípdy: -, vstupní proud v rozmezí vstupních npětí ž U CC typicky μ, mimo toto rozmezí vzrůstá vlivem ochrnných diod obvody FCT mjí doby zpoždění stejné jko obvody LS TTL. hzrdy. připojování vstupů digitálních obvodů,. připojování výstupů digitálních obvodů,. spoje přenos signálů, 5. obecné plikční zásdy, Hzrdy v kombinčních logických obvodech Zákldní pojmy Vznik hzrdu -v důsledku čsového zpoždění při průchodu signálu logickými členy vzniknou n výstupu obvodu při změnách vstupních signálů přechodné jevy ve tvru impulsů (przitní impulsy, glitch). Vznik przitního impulsu při sttickém hzrdu Očekávný výstupní signál má mít stálou úroveň, le při změně sledovné vstupní veličiny může vlivem čsových zpoždění v obvodu n výstupu vzniknout przitní impuls opčné úrovně. Hodnot čsového zpoždění (zdržení) v logických členech závisí n teplotě, npájecím npětí pod. jistý prvek náhodnosti v tom, zd ke vzniku uvedených impulsů, podmíněnému kombincí vhodných hodnot zpoždění, skutečně dojde nebo ne. Podle toho, zd se mění vstupní veličiny vzniká: sttický hzrd, dynmický hzrd. Hzrdní stvy negtivně působí i v sekvenčních obvodech: mohou způsobit, že n ně zregují jen některé (rychlejší) obvody, jiné (pomlejší) n ně zregovt nemusí systém se tk může dostt do nepředvídtelných stvů. 5 KLO - τ τ KLO KLO - τ τ τ 6 9

10 Vznik przitního impulsu při dynmickém hzrdu Při změně vstupní veličiny očekáváme změnu veličiny výstupní. Je-li v obvodu dynmický hzrd, může se odezv výstupní veličiny skládt z většího lichého počtu změn, tj. kočekávné změně se přidá ještě jeden (nebo i více) przitních impulsů. KLO - τ KLO - τ KLO KLO - τ Kombinční obvody s dvoustupňovou strukturou NND-NND NOR-NOR ' ' ( ) ( b ) y y ' y ' y 7 Pro NND vzniká při hzrdu przitní impuls úrovně L při klidové úrovni H, u zpojení se členy NOR je tomu nopk. 8 b Vyšetřování hzrdů Zkreslíme-li vyšetřovnou funkci do Krnughovy mpy, můžeme v ní hzrdy lehce poznt. Obecně mohou vznikt przitní impulsy u těch přechodů, kde se v mpě dotýkjí dvě sousední smyčky, přičemž tento dotyk není překryt dlší smyčkou tyto hzrdy se odstrní doplněním smyček, které tyto dotyky překrývjí. I I I C D F E I I I I I 8 9 B I I I I c d Doplnění mpy o konsensus b.c zvede do mpy smyčku, která tento přechod překrývá. Tento doplňkový součin neobshuje proměnnou ě, tkže svou jedničkovou hodnotu drží i při změně této proměnné. Příkld: ' logická funkce: y = b + c + d y = b + c + d + b c b c d y Przitní impuls zde vzniká při změně proměnné, je-li hodnot y = způsobován buď jedničkovou hodnotou součinu.b nebo c, ne všk hodnotou proměnné d. 9 Zcel podobnou úvhou bychom mohli rozebrt příčiny způsob odstrnění hzrdů v zpojeních s obvody NOR.

11 Potlčení hzrdů způsobem uvedeným v příkldu z cenu poněkud větší složitosti zpojení, podmínkou je použití dvoustupňového zpojení NND-NND nebo NOR-NOR složeného ze zákldních kombinčních logických obvodů, výstupní signály využíváme ž po uplynutí určité doby po změně vstupních proměnných, kdy již dojde k jejich ustálení, tkové vzorkování je typické pro synchronní sekvenční systémy, hzrdy můžeme připustit, pokud jsme si jisti, že nemohou způsobit nepříjemnosti, v nejvyšší nouzi je možno použít filtru RC s chrkterem integrčního článku; toto řešení všk neptří k těm, která lze obecně doporučit, může být příčinou jiných problémů souvisejících s prodloužením hrn tkto uprvených signálů.