Структура и принцип работы логических элементов ТТЛ и КМОП
В топологии интегральных схем (ИС) широко используются логические элементы. Они решают арифметические задачи, а также входят в состав триггеров, счетчиков, мультиплексоров, дешифраторов и ячеек некоторых типов памяти. Современные логические элементы создают преимущественно по технологии КМОП (комплементарный металл-окисел-полупроводник), реже на ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Они отличаются параметрами, свойствами и принципом работы.
Содержание:
- Распространенность КМОП и ТТЛ структур в чипах и их особенности
- Принцип работы ИС КМОП и ТТЛ
- Классификация микросхем
Распространенность КМОП и ТТЛ структур в чипах и их особенности
Существует несколько типов структуры логических элементов, но лидирующей стала КМОП, построенная на полевых транзисторах. На ранних этапах развития электроники полевые транзисторы использовались очень редко, так как технология их производства была недоработанной. После усовершенствования топологии и освоения методики изготовления полевых транзисторов разной структуры в одном кристалле, КМОП стала превосходить по параметрам все остальные типы.
ТТЛ применяется сейчас преимущественно в системах, где необходимо исключить недостатки КМОП. Однако две этих структуры стараются комбинировать.
Основная цель — минимизировать недостатки:
- для КМОП — высокую зависимость потребления от частоты;
- для ТТЛ — малую энергоэффективность на невысоких скоростях или в режиме ожидания.
Основным преимуществом полевых транзисторов является их возможность минимизации размеров и высокое входное сопротивление. Это позволяет создавать чипы такой структуры большой степени интеграции при малом потреблении. Если же и требуется использовать ТТЛ, то его выполняют локально (комбинируют две структуры). Основная доля микросхем с использованием логики — это КМОП или комбинированные с ТТЛ.
Так что современные чипы редко бывают исключительно ТТЛ-структуры, разве что как микросхемы малой интеграции. ИС ТТЛ менее критична к статическому электричеству и имеет лучшую помехоустойчивость, зато требует стабильного напряжения питания. КМОП также обладает высокой устойчивостью логических состояний, если при создании были использованы качественные материалы и технология. Это напрямую влияет на стоимость ИС.
Принцип работы ИС КМОП и ТТЛ
Существуют такие базовые логические элементы, которые выполняют функции:
- НЕ — инверсии;
- И — конъюнкции (умножения);
- ИЛИ — дизъюнкции (сложения);
- И-НЕ — конъюнкции с инверсией результата;
- ИЛИ-НЕ — дизъюнкции с инверсией;
- Исключающее ИЛИ — сложная функция, включающая конъюнкцию входов между собой с последующим их сложением.
Каждый из этих элементов имеет свою таблицу истинности. Количество входов у элемента НЕ — 1, у остальных, от 2 до 8. У интегрированных логических элементов их может быть больше. Для улучшения устойчивости состояний входы не должны быть свободными: неиспользованные либо объединяются, либо на них подают логическую 1 или 0.
Выходы стандартных логических элементов соединять между собой, с шиной питания или массы запрещено. Это может привести к выходу из строя выходного каскада. Если же необходимо выполнить такое схемотехническое решение, то применяют логические элементы с открытым коллектором. Их гальваническое соединение не приводит к замыканию.
Большое число соединений выходов с открытым коллектором может привести к перегрузке. Поэтому необходимо учитывать параметры конкретной модели чипа. Существуют буферы — выходы с повышенной нагрузочной способностью. При использовании комбинации из нескольких серий микросхем следует учитывать их скоростные характеристики.
Уровни логических состояний микросхем различной структуры отличаются, как и требования к стабильности питания.
Интересно: Логические элементы структуры ТТЛ, обычно, имеют напряжение питания 5В или 3,3В. Состояние входа будет определяться как логический 0 при входном напряжении от 0 до 0,4В (0,25 – 0,3В для низковольтных серий). Логическая 1 — при напряжении, больше половины значения питания. Напряжение «плавающего состояния», меньшее, чем половина питания не вызывает изменения состояния логического 0. Определившаяся логическая 1 изменится на 0 лишь при напряжении ниже пороговых 0,4В – 0,25В.
У КМОП напряжение питания может быть в широких пределах: нижний предел 1,1В-1,6В, 3,3В или 5В, верхний — 5,5В, 9В до 12В. Напряжение от 0В до 30% действующего питающего значения — для логического 0. От 70% питания до максимума будет определяться как логическая 1.
Кроме двоичной системы исчисления логические элементы могут иметь:
- 3 логических состояния, где кроме логических 0 и 1, есть Z — имеет высокий импеданс и не контролирует состояние подключенной цепи;
- 4 логических позиций, добавлен X — неважное и неопределенное состояние;
- 9 логических позиций, кроме уровневых состояний используются сильно- и слабоуправляемые состояния, также высокоимпедансные, неизвестные и неинициализированные;
- многоуровневые состояния — отличаются не состоянием выходного ключа, а уровнем напряжения, могут иметь диапазоны с отрицательными потенциалами.
Некоторые марки интегральных компонентов имеют совместимость логических уровней КМОП с ТТЛ и наоборот. Большая же часть чипов не имеет такой коммуникабельности, поэтому применяются специальные микросхемы-конверторы для совместимости уровней для перехода с разных структур логики или с разным напряжением питания.
К примеру, выходы логических уровней микросхем с повышенным электропитанием могут подаваться на входы низковольтных чипов только через ограничительные каскады. Естественно, если завышенное напряжение входа не предусмотрено топологией используемого номинала микросхемы.
Классификация микросхем
Спецификация интегральных компонентов ведется по их серии. Они могут иметь аналоги с моделями разных производителей. Но не всегда они взаимозаменяемы, различия могут быть как по входным/выходным параметрам, так и по назначению выводов. Микросхемы одной серии имеют общую:
- Структуру — КМОП, ТТЛ или комбинированные;
- Класс — логические элементы или прочие;
- Диапазон питающего напряжения и потребления;
- Скоростные характеристики.
Купить электронные компоненты от проверенных производителей можно в компании «ЗУМ-СМД». Действует доставка по всей России. Чтобы уточнить подробности, звоните по телефону +7 (800) 333-48-97 или закажите звонок через форму обратной связи.
