Ключи и базовые элементы эмиттерно-связанной логики: схема, статическое состояние, свойства.

 

Элементы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) строят на основе переключателя тока (рис. 10.13,а).

Переключатель тока выполняется обычно на биполярных транзисторах и представляет собой дифференциальный усилительный каскад (рис. 10.13,а), работающий в режиме большого сигнала, но без насыщения транзисторов. Внем, в зависимости от входного напряжения, ток эмиттерной цепи I _о, создаваемый источником Е _п, протекает либо через Т1, либо через Т2, т.е. переключается из одного плеча схемы в другое. На базу транзистора Т1 подается входное управляющее напряжение, а на базу транзистора Т2 − постоянное опорное напряжение . Коллекторные цепи транзисторов подключены к общей шине (Е _к = 0).

 

Если принять аппроксимацию входной характеристики транзисторов, как показано на рис. 10.13,б то для полного переключения тока I _о из одного плеча в другое достаточно уменьшить напряжение U _бэ у открытого транзистора на величину ∆ U _бэ, а у закрытого − увеличить на ∆ U _бэ. Следовательно ширина активного участка передаточных характеристик (области переключения) дифференциального каскада (рис. 10.13,в) составляет 2∆ U _бэ (порядка
0,2...0,3 В). При  транзистор Т1 закрыт, а Т2 открыт, напряжение , . При   Т1 открыт, а Т2 закрыт, соответственно , . Заметим, что в последнем случае при увеличении  напряжение  продолжает несколько спадать и после переключения транзисторов. Однако спад невелик, так как коэффициент передачи каскада ОЭ на транзисторе Т1 с эмиттерной нагрузкой R _э, равный примерно , значительно меньше единицы. Дальнейшее увеличение   может привести к насыщению транзистора Т1. Если принять условие насыщения , то на высокий уровень входного напряжения необходимо наложить ограничение:

 

Таким образом, требуемые статические состояния переключателя тока обеспечиваются при

и                                      (10.31)

 

Рис. 10.14 иллюстрирует работу переключателя временными диаграммами.

Быстродействие переключателя тока может быть высоким. Это обусловлено следующими факторами.

Во-первых, открытые транзисторы не переходят в насыщение, вследствие чего в переходных процессах отсутствует этап рассасывания избыточных зарядов.

Во-вторых, транзистор Т2 работает в режиме схемы ОБ, при которой достигается наиболее высокая скорость его переключения.

В-третьих, для, переключения тока I _о требуются большие перепады входного сигнала. Полагая, что они создаются аналогичными переключателями тока, имеется возможность использовать резисторы R _к с малым сопротивлением (сотни Ом), что значительно уменьшает влияние емкости С _к транзисторов на время переключения.

Общая длительность переходного процесса при переключениях может составлять десятые доли наносекунды. Однако, учитывая, что наилучшие частотные свойства транзисторов проявляются при значительных коллекторных токах, потребляемая от источника питания мощность велика (десятки мВт).

 

 

Для управления по нескольким входам в одно плечо переключателя параллельно включают несколько транзисторов − на рис. 11.16 это T1 и Т3.

В состав логического элемента входят также два эмиттерных повторителя на транзисторах Т4 и Т5. Они обеспечивают низкое выходное сопротивление и согласование выходных логических уровней с входными уровнями, необходимыми для работы переключателя без режима насыщения транзисторов.

Рассмотрим работу ЭСЛ элемента. Если на обоих входах действует низкий уровень напряжения , который в соответствии с (10.31) обеспечивает запертое состояние транзисторов Т1 и Т3 и открытое состояние Т2, то потенциал коллекторов Т1 и ТЗ равен нулю и на первом выходе ЛЭ будет высокий уровень напряжения

                     (11.5)

 

который определяется падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора Т4.  На коллекторе транзистора Т2 напряжение  (рис. 10.13,в) передается на второй выход ЛЭ:

 

                  (11.6)

 

При подаче хотя бы на один вход высокого напряжения   (10.31) общий ток  переключается в левое плечо, и на выходах уровни напряжения меняются на противоположные: на первом выходе − высокий, на втором − низкий.

Из вышесказанного следует, что ЛЭ по первому выходу выполняет операцию ИЛИ-НЕ, по второму − ИЛИ.

 

Для оценки логических уровней U ^о и U ¹ следует исходить из того, что они должны быть одинаковыми на входах и выходах элемента. Согласно выражениям (10.31) и (11.5) равенство

 

       (11.7)

 

обеспечивается при . Причем наибольший логический перепад  (наибольшая помехоустойчивость) получается при . С учетом этого из (11.6) следует, что

 

      (11.8)

 

Опорное напряжение .

Логический перепад у ЭСЛ элемента  мал, составляет около 0,8 В. Это обусловливает невысокую помехоустойчивость, но в то же время способствует повышению быстродействия (быстрее происходит перезаряд паразитных емкостей). Учитывая, что целевым предназначением ЭСЛ элемента является обеспечение максимального быстродействия, присущие ему низкая помехоустойчивость, большая потребляемая мощность и несовместимость по логическим уровням с другими базовыми ЛЭ в ряде случаев становятся не определяющими для применения недостатками.

Наибольшее распространение получили такие серии ИС на основе ЭСЛ,

как 100, К500, К700, KI500. Их базовые ЛЭ имеют  около 2нс при
= 25…40 мВт. Перспективные элементы имеют задержки в субнаносекундном диапазоне при меньшей потребляемой мощности.

 

 

На рис. 11.17 приведена схема базового ЛЭ серии 100 (К500). Все входы ЛЭ через резисторы утечки R4, R5 подключены к источнику питания. Такое включение позволяет оставлять неиспользуемые входы свободными. Для ослабления влияния импульсных помех, возникающих в коллекторных цепях эмиттерных повторителей при работе на низкоомную нагрузку, используются две шины "корпус": одна для эмиттерных повторителей, другая для переключателя тока. Причем шины делают большого сечения. Эмиттерные повторители могут нагружаться на внешние (в составе отдельной ИС) низкоомные резисторы R9, R10 и запитываться от отдельного источника Е₂. С целью уменьшения потребляемой мощности к неиспользуемым выходам внешние резисторы не подключаются. Опорное напряжение создается термокомпенсированной схемой (Т6, Д1, Д2, R3, R7, R8).

Как и в сериях ТТЛ, наряду с базовыми ЛЭ в состав серий ЭСЛ включаются вспомогательные ЛЭ.

 

 

Перейдем к второму вопросу лекции.