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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Logikelemente von innen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Anfänger Funkamateur Digitale Mikroschaltungen dienen der Verarbeitung, Umwandlung und Speicherung digitaler Informationen. Sie werden in Serie ausgegeben. Innerhalb jeder Serie gibt es Gruppen von Geräten, die nach ihren funktionellen Eigenschaften zusammengefasst sind: logische Elemente, Trigger, Zähler, Elemente arithmetischer Geräte (die verschiedene mathematische Operationen ausführen) usw. Je breiter die funktionale Zusammensetzung der Serie ist, desto größer sind die Fähigkeiten eines digitalen Geräts, das auf der Basis von Mikroschaltungen dieser Serie hergestellt wurde. Die in jeder Serie enthaltenen Mikroschaltungen haben ein einziges Design und technologisches Design, eine einzige Versorgungsspannung, die gleichen Pegel der Signale logisch 0 und logisch 1. All dies macht die Mikroschaltungen derselben Serie kompatibel. Die Grundlage jeder Reihe digitaler Mikroschaltungen ist das grundlegende Logikelement. Grundlegende logische Elemente führen in der Regel UND-NICHT- oder ODER-NICHT-Verknüpfungen aus und werden nach dem Konstruktionsprinzip in folgende Haupttypen unterteilt: Elemente der Dioden-Transistor-Logik (DTL). Widerstands-Transistor-Logik (RTL), Transistor-Transistor-Logik (TTL), Emitter-gekoppelte Transistor-Logik (ESTL), Mikroschaltungen auf den sogenannten komplementären MIS-Strukturen (CMDP). KMDP-Elemente digitaler Mikroschaltungen verwenden Paare von MIS-Transistoren (mit einer Metall-Dielektrikum-Halbleiter-Struktur) - mit Kanälen vom p- und n-Typ. Grundelemente anderer Typen werden auf Bipolartransistoren hergestellt. In der Amateurfunkpraxis werden am häufigsten Mikroschaltungen der TTL- und KMDP-Serie verwendet. On (Abb. 1) zeigt ein Diagramm des grundlegenden Logikelements AND-NOT TTL. Am Eingang des Elements ist ein Multiemittertransistor VT1 eingeschaltet. Wenn an alle seine Emitter hohe Spannungen angelegt werden, wird der Emitterübergang des Transistors geschlossen. Gleichzeitig ist die aktuelle Durch den Widerstand R1 und den Kollektorübergang des Transistors VT1 fließender Strom öffnet den Transistor VT2. Der Spannungsabfall am Widerstand R3 reicht aus, um den Transistor VT5 zu öffnen. Die Spannung am Kollektor des Transistors VT2 ist derart, dass der Transistor VT3 geschlossen ist und der Transistor VT4 entsprechend geschlossen ist. Als Ergebnis erscheint am Ausgang des Elements eine Spannung mit niedrigem Pegel, die einer logischen 0 entspricht. Wenn jedoch an mindestens einem der Eingänge des Elements eine Spannung mit niedrigem Pegel angelegt wird, öffnet sich der Emitterübergang des Transistors VT1 und die Transistoren VT2 und VT5 werden geschlossen. Der VTZ-Transistor öffnet sich aufgrund des durch den Widerstand R2 fließenden Stroms und geht in den Sättigungsmodus über. Dementsprechend öffnet sich der VT4-Transistor und am Ausgang des Elements erscheint eine Spannung mit hohem Pegel, die der logischen 1 entspricht. Daher führt das betrachtete Element die NAND-Funktion aus. Die Zusammensetzung der Mikroschaltungen der TTL-Serie umfasst auch ein UND-NICHT-Logikelement ohne Kollektorlast in der Ausgangsstufe. Dabei handelt es sich um das sogenannte Open-Collector-NAND-Element. Es ist für den Betrieb mit einer externen Last konzipiert, die als elektromagnetische Relais, Anzeigegeräte usw. verwendet werden kann. Open-Collector-Schaltungen werden auch in Datenbussen verwendet, wenn zwei oder mehr Ausgänge an eine physische Leitung angeschlossen sind (Abbildung 1). ).
Erinnern Sie sich daran, dass die CMDS-Struktur ein idealer Spannungsschalter ist. Ein solcher Schalter enthält zwei MIS-Transistoren mit Kanälen vom p- und n-Typ. Wenn eine hohe Spannung an den Eingang des Schalters angelegt wird, öffnet der n-Kanal-Transistor und der p-Kanal-Transistor schließt. Abbildung 2 zeigt die Diagramme der Grundelemente von AND-NOT (a) und OR-NOT (b) von KMDP-Mikroschaltungen. Nur wenn an allen Eingängen X0-X1 gleichzeitig hohe Spannungen (logisch 1) anliegen, liegt am Ausgang des UND-NICHT-Gliedes eine Spannung mit niedrigem Pegel (logisch 1) an. Wenn die Spannung an mindestens einem der Eingänge (z. B. X6) niedrig ist, schließt der n-Kanal-Transistor VT1 und der p-Kanal-Transistor VTXNUMX öffnet, durch dessen Kanal der Ausgang des Elements geht an die Stromquelle angeschlossen. Somit weist der Ausgang eine Spannung mit hohem Pegel auf, die der logischen 1 entspricht. Um das grundlegende ODER-NICHT-Logikelement auf CMOS-Strukturen zu implementieren, sollten Schaltungsabschnitte mit in Reihe und parallel geschalteten Transistoren in Abbildung 2,b vertauscht werden.
TTL-Chips sind für eine Versorgungsspannung von 5 V ± 10 % ausgelegt. Die meisten auf CMOS-Strukturen basierenden Mikroschaltungen arbeiten stabil bei einer Versorgungsspannung von 3-15 V, einige - bei einer Spannung von 9 V ± 10%. Die Logikpegel 0 und 1 sollten sich möglichst unterscheiden. Es gibt Schwellenlogik 1 U1thor - die kleinste Spannung mit hohem Pegel am Eingang der Mikroschaltung, bei der die Ausgangsspannung vom Pegel logisch 0 auf den Pegel logisch 1 wechselt, sowie die Schwellenspannung logisch 0 U0thor - die höchste Spannung mit niedrigem Pegel am Eingang der Mikroschaltung, bei der die Ausgangsspannung vom Pegel logisch 1 auf den Pegel logisch 0 wechselt. Bevor wir mit einer detaillierten Betrachtung der gängigsten Serien von Mikroschaltungen und darauf basierenden digitalen Geräten fortfahren, wollen wir uns mit den Hauptparametern logischer Elemente befassen. Dazu gehören die Versorgungsspannung, die Spannungspegel von logisch 0 und logisch 1, die Belastbarkeit, die Störfestigkeit und -geschwindigkeit sowie der Stromverbrauch. Für TTL-Mikroschaltungen der U1por-Serie = 2,4 V; U0por = 0,4 V. Die Spannung niedriger und hoher Pegel am Ausgang der TTL-Mikroschaltungen U1out>=2,4 V, U1out<=0,4 V. Bei Mikroschaltungen, die auf CMOS-Strukturen U1por>0,7* Upit, U0por>0,3* Upit basieren, beträgt die Abweichung der Ausgangsspannungen U0out und U1out von Null bzw. der Versorgungsspannung gleichzeitig nur einige zehn Millivolt. Die Fähigkeit eines Elements, ohne zusätzliche Anpassungsgeräte an einer bestimmten Anzahl von Eingängen anderer Elemente zu arbeiten, wird durch eine Belastbarkeit charakterisiert. Je höher die Belastbarkeit, desto weniger Elemente können bei der Implementierung eines digitalen Geräts benötigt werden. Mit zunehmender Belastbarkeit verschlechtern sich jedoch andere Parameter von Mikroschaltungen: Geschwindigkeit und Störfestigkeit nehmen ab und der Stromverbrauch steigt. In dieser Hinsicht gibt es als Teil verschiedener Reihen von Mikroschaltungen sogenannte Pufferelemente mit einer Belastbarkeit, die um ein Vielfaches größer ist als die der Hauptelemente. Quantitativ wird die Ladekapazität durch die Anzahl der Einheitslasten geschätzt, die gleichzeitig an den Ausgang der Mikroschaltung angeschlossen werden können. Eine einzelne Last ist wiederum der Eingang des Hauptlogikelements dieser Reihe. Der Ausgangsverzweigungsfaktor für die meisten Logikelemente der TTL k155-Serie beträgt 10, für Mikroschaltungen der k561 KMDP-Serie beträgt er bis zu 100. Die Störfestigkeit grundlegender Logikelemente wird im statischen und dynamischen Modus bewertet. In diesem Fall wird die Störfestigkeit gegen statische Störungen durch den Spannungspegel bestimmt, der am Eingang des Elements im Verhältnis zu den Pegeln von logisch 0 und 1 angelegt wird, bei denen sich der Zustand am Ausgang der Schaltung nicht ändert. Bei TTL-Elementen beträgt die Störfestigkeit gegen statische Störungen mindestens 0,4 V und bei Mikroschaltungen der KMDP-Serie mindestens 30 % der Versorgungsspannung. Die dynamische Störfestigkeit hängt von der Form und Amplitude des Störsignals sowie von der Schaltgeschwindigkeit des Logikelements und seiner statischen Störfestigkeit ab. Die dynamischen Parameter der Grundelemente werden zunächst nach ihrer Geschwindigkeit bewertet. Quantitativ kann die Leistung durch die Grenzbetriebsfrequenz charakterisiert werden, d. h. die maximale Schaltfrequenz des Triggers, die auf diese Grundelemente ausgeübt wird. Die maximale Betriebsfrequenz von TTL-Chips der k155-Serie beträgt 10 MHz. und Mikrochips der Serien k176 und k561 auf CMDP-Strukturen sind nur 1 MHz. Die Geschwindigkeit wird genauso definiert wie die durchschnittliche Signallaufzeit.
tsp.r.av.=0,5(t1,0zd.r+t0,1zd.r), wobei t1,0zd.r und t0,1zd.r die Verzögerungszeiten der Signalausbreitung beim Ein- und Ausschalten sind, Abbildung 3. Die durchschnittliche Verzögerungszeit der Signalausbreitung ist ein universellerer Parameter von Mikroschaltungen, da man ihn kennt. Es ist möglich, die Geschwindigkeit jeder komplexen Logikschaltung zu berechnen, indem man tzd.r.sr für alle in Reihe geschalteten Mikroschaltungen summiert. Für Mikroschaltungen der K155-Serie beträgt tsp.r.sr etwa 20 ns und für Mikroschaltungen der K176-Serie 200 ns. Es stellt sich heraus, dass die von der Mikroschaltung im statischen Modus verbrauchte Leistung auf den Ebenen der logischen Null (P0) und der logischen Eins am Ausgang (P1) unterschiedlich ist. In diesem Zusammenhang wird der durchschnittliche Stromverbrauch Рav=(Р0+Р1)/2 gemessen. Der statische durchschnittliche Stromverbrauch der Basiselemente der K 155-Serie beträgt mehrere zehn Milliwatt, während er bei den Elementen der K176- und K561-Serie mehr als tausendmal niedriger ist. Wenn es darum geht, digitale Geräte mit geringem Stromverbrauch zu bauen, empfiehlt es sich, Mikroschaltungen auf Basis von CMOS-Strukturen zu verwenden. Es ist jedoch zu beachten, dass beim Betrieb im dynamischen Modus die von den Logikelementen verbrauchte Leistung zunimmt. Daher wird zusätzlich zu Рср auch die Leistung Рdyn, gemessen bei der maximalen Schaltfrequenz, eingestellt. Muss beachtet werden. dass mit zunehmender Geschwindigkeit die von der Mikroschaltung verbrauchte Leistung zunimmt Autor: -=GiG=-, gig@sibmail; Veröffentlichung: cxem.net
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