Éléments logiques de l'intérieur. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Les microcircuits numériques sont conçus pour traiter, convertir et stocker des informations numériques. Ils sont émis en série. Au sein de chaque série, il existe des groupes de dispositifs réunis selon leurs caractéristiques fonctionnelles : éléments logiques, déclencheurs, compteurs, éléments de dispositifs arithmétiques (réalisant diverses opérations mathématiques), etc. Plus la composition fonctionnelle de la série est large, plus les capacités d'un appareil numérique fabriqué à partir de microcircuits de cette série sont grandes. Les microcircuits inclus dans chaque série ont une conception et une conception technologique uniques, une seule tension d'alimentation, les mêmes niveaux de signaux logique 0 et logique 1. Tout cela rend compatibles les microcircuits d'une même série.

La base de chaque série de microcircuits numériques est l'élément logique de base. En règle générale, les éléments logiques de base effectuent des opérations AND-NOT ou OR-NOT et, selon le principe de construction, sont divisés en les types principaux suivants: éléments de logique diode-transistor (DTL). logique à transistor résistif (RTL), logique transistor-transistor (TTL), logique à transistor couplé à l'émetteur (ESTL), microcircuits sur les structures dites complémentaires MIS (CMDP). Les éléments KMDP des microcircuits numériques utilisent des paires de transistors MIS (avec une structure métal-diélectrique-semi-conducteur) - avec des canaux de type p et n. Des éléments de base d'autres types sont réalisés sur des transistors bipolaires.

Dans la pratique radioamateur, les microcircuits les plus utilisés sont les séries TTL et KMDP. La figure 1 montre le schéma de circuit d'une porte NAND TTL de base. Le transistor multi-émetteur VT1 est rendu passant à l'entrée de l'élément. Si des tensions de haut niveau sont appliquées à tous ses émetteurs, la jonction émetteur du transistor sera fermée. En même temps le courant. circulant à travers la résistance R1 et la jonction collecteur du transistor VT1 ouvrira le transistor VT2.

La chute de tension aux bornes de la résistance R3 sera suffisante pour ouvrir le transistor VT5. La tension au collecteur du transistor VT2 est telle que le transistor VT3 est fermé, et le transistor VT4 est fermé en conséquence. En conséquence, une tension de niveau bas correspondant au 0 logique apparaîtra à la sortie de l'élément.

Si une tension de bas niveau est appliquée à au moins une des entrées de l'élément, alors la jonction émetteur du transistor VT1 s'ouvrira et les transistors VT2 et VT5 seront fermés. Le transistor VTZ s'ouvrira en raison du courant circulant dans la résistance R2 et entrera en mode saturation. En conséquence, le transistor VT4 s'ouvrira et une tension de niveau haut apparaîtra à la sortie de l'élément correspondant au 1 logique. Par conséquent, l'élément considéré remplit la fonction ET-NON.

Les microcircuits de la série TTL comprennent également un élément logique NAND sans charge de collecteur dans l'étage de sortie. Il s’agit de ce qu’on appelle l’élément NAND à collecteur ouvert. Il est conçu pour fonctionner sur une charge externe, qui peut être des relais électromagnétiques, des dispositifs indicateurs, etc. ; des circuits à collecteur ouvert sont également utilisés dans les bus de transmission de données dans les cas où deux sorties ou plus sont connectées à une ligne physique, Figure 1.

Fig. 1

Rappelons que la structure CMDS est un interrupteur de tension idéal. Un tel commutateur contient deux transistors MIS avec des canaux de type p et n. Lorsqu'une tension de haut niveau est appliquée à l'entrée du commutateur, le transistor à canal n s'ouvre et celui à canal p se ferme. La figure 2 montre les schémas des éléments de base des ET-NON (a) et OU-NON (b) des microcircuits KMDP. La tension de niveau bas (0 logique) sera à la sortie de l'élément ET-NON uniquement si des tensions de niveau haut (1 logique) sont appliquées simultanément à toutes les entrées X1-X1. Si la tension sur au moins une des entrées (par exemple, X6) est basse, le transistor à canal n VT1 se fermera et le transistor à canal p VTXNUMX s'ouvrira, à travers le canal duquel la sortie de l'élément est connecté à la source d'alimentation.

Ainsi, la sortie aura une tension de haut niveau correspondant au 1 logique. Pour implémenter l'élément logique de base OR-NOT sur les structures CMOS, les sections du circuit contenant des transistors connectés en série et en parallèle doivent être permutées sur la figure 2, b.

Riz. 2 (cliquez pour agrandir)

Les microcircuits TTL sont conçus pour une tension d'alimentation de 5 V ± 10 %. La plupart des microcircuits basés sur des structures CMOS fonctionnent de manière stable à une tension d'alimentation de 3-15 V, certains - à une tension de 9 V ± 10%. Les niveaux logiques 0 et 1 doivent différer autant que possible. Il existe un seuil logique 1 U1thor - la plus petite tension de haut niveau à l'entrée du microcircuit, à laquelle la tension de sortie passe du niveau de 0 logique au niveau de 1 logique, ainsi que la tension de seuil de 0 logique U0thor - la tension de niveau bas la plus élevée à l'entrée du microcircuit, à laquelle la tension de sortie passe du niveau logique 1 au niveau logique 0.

Avant de procéder à un examen détaillé des séries les plus courantes de microcircuits et de dispositifs numériques basés sur eux, arrêtons-nous sur les principaux paramètres des éléments logiques. Il s'agit notamment de la tension d'alimentation, des niveaux de tension logique 0 et logique 1, de la capacité de charge, de l'immunité au bruit et de la vitesse, de la consommation électrique.

Pour les microcircuits de la série TTL U1por = 2,4 V ; U0por =0,4 V. Niveau bas et haut de tension en sortie des microcircuits TTL U1out>=2,4V, U1out<=0,4V.

Pour les microcircuits basés sur des structures KMDP U1por>0,7* Upit, U0pore>0,3* Up, dans le même temps, les écarts des tensions de sortie U0out et U1out par rapport à zéro et la tension de la source d'alimentation, respectivement, n'atteignent que quelques dizaines de millivolts. La capacité d'un élément à fonctionner sur un certain nombre d'entrées d'autres éléments sans dispositifs d'adaptation supplémentaires est caractérisée par la capacité de charge.

Plus la capacité de charge est élevée, moins d'éléments peuvent être nécessaires lors de la mise en œuvre d'un appareil numérique. Cependant, avec une augmentation de la capacité de charge, d'autres paramètres des microcircuits se détériorent: la vitesse et l'immunité au bruit diminuent et la consommation électrique augmente. A cet égard, dans le cadre de diverses séries de microcircuits, il existe des éléments dits tampons dont la capacité de charge est plusieurs fois supérieure à celle des éléments principaux. Quantitativement, la capacité de charge est estimée par le nombre de charges unitaires pouvant être connectées simultanément à la sortie du microcircuit. À son tour, une seule charge est l'entrée de l'élément logique principal de cette série.

Le facteur de branchement de sortie pour la plupart des éléments logiques de la série TTL K155 est de 10, pour les microcircuits de la série K561 KMDP - jusqu'à 100. L'immunité au bruit des éléments logiques de base est évaluée en modes statique et dynamique. Dans ce cas, l'immunité au bruit statique est déterminée par le niveau de tension fourni à l'entrée de l'élément par rapport aux niveaux logiques 0 et 1, auxquels l'état à la sortie du circuit ne change pas. Pour les éléments TTL, l'immunité au bruit statique est d'au moins 0,4 V et pour les microcircuits de la série KMDP, d'au moins 30 % de la tension d'alimentation. L'immunité dynamique au bruit dépend de la forme et de l'amplitude du signal parasite, ainsi que de la vitesse de commutation de l'élément logique et de son immunité au bruit statique.

Les paramètres dynamiques des éléments de base sont évalués, tout d'abord, par leur vitesse. Quantitativement, la vitesse peut être caractérisée par la fréquence de fonctionnement limite, c'est-à-dire la fréquence maximale de commutation du déclenchement effectué sur ces éléments de base. La fréquence de fonctionnement limite des puces TTL de la série k155 est de 10 MHz. et les microcircuits des séries k176 et k561 sur les structures CMDP ne sont que de 1 MHz. La performance est définie de la même manière que le temps de propagation moyen du signal.

Fig. 3

tzd.r.av.=0,5(t1,0zd.r+t0,1zd.r), où t1,0zd.r et t0,1zd.r sont les temps de retard de propagation du signal lors de la mise sous et hors tension, Figure 3.

Le temps de retard moyen de propagation du signal est un paramètre plus universel des microcircuits, puisqu'il est connu. Vous pouvez calculer les performances de n'importe quel circuit logique complexe en additionnant tz.r.sr pour tous les microcircuits connectés en série. Pour les microcircuits de la série K155, tz.r.sr est d'environ 20 ns et pour les microcircuits de la série K176, de 200 ns. La puissance consommée par le microcircuit en mode statique est différente aux niveaux du zéro logique (P0) et du un logique en sortie (P1). À cet égard, la consommation électrique moyenne est mesurée Рср=(Р0+Р1)/2.

La consommation électrique moyenne statique des éléments de base de la série K 155 est de plusieurs dizaines de milliwatts, et pour les éléments des séries K176 et K561, elle est plus de mille fois inférieure. Par conséquent, s'il est nécessaire de construire des appareils numériques à faible consommation de courant, il est conseillé d'utiliser des microcircuits basés sur des structures KMDP. Cependant, il convient de garder à l'esprit que lors du fonctionnement en mode dynamique, la puissance consommée par les éléments logiques augmente. Par conséquent, en plus de Рср, la puissance Рdin est également définie, mesurée à la fréquence de commutation maximale.

Doit être gardé à l'esprit. qu'avec l'augmentation de la vitesse, la puissance consommée par le microcircuit augmente

Auteur : -=GiG=-, gig@sibmail ; Publication : cxem.net

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