В цифровой микросхеме простейшие логические операции осу- ществляются с помощью логических элементов. В начале развития микроэлектроники каждая микросхема содержала обычно всего один логический элемент, подобный тому, который показан на рис. 1.1, а. По мере развития технологии на кристалле микросхемы стали размещать наборы таких элементов, а затем соединять их в логические структуры. При этом принципиальная схема логического элемента ие менялась.

Однако с течением времени импульсные параметры микросхемы оказывались недостаточными и приходилось расширять диапазоны быстродействия, эконо.мичность и помехоустойчивость микросхем за счет , новой принципиальной схемы логического элемента. За четверть века последовательно сменилось около десятка таких схем. Чтобы их можно было легко различать, им присваивали сокращенные условные обозначения. В обозначении, как правило, присутствует буква Л - начальная от слова логика. Этим словом в свое время условно назвали цифровой ключ.

Устройство элемента резисторно-транзисторной логики, сокращенно РТЛ (рис. 1.1, а), отображает наличие в схеме компонентов; резисторов и переключательного транзистора. В 60-х годах микросхемы РТЛ довольно широко выпускались в гибридном толстопленочном исполнении.

Присоединим на вход А логического элемента DDI (рис. 1.1) переключатель S1, движок которого может занимать два положения В и Н. В положении В на вход А подается напряжение высокого уровня Ugjj=U,f а в положении Н -низкого изх=0. На рис. 1.1, а на вход А подан сигнал высокого уровня. Тогда от положительного полюса источника питания Un.n через резистор R1 в базу транзистора втекает насыщающий базовый ток Ig , являющийся здесь входным током высокого уровня Igj;. Таким образом, элемент РТЛ включается входным напряжением высокого уровня. По-другому, это входное напряженке можно назвать активным логическим сигналом элемента РТЛ.

Действительно, если в схеме (рис. 1.1, а) переключатель S1 находится в положении Н, транзистор VT1 открывающего тока получ.чть не будет и поэтому закроется. Через вход А логического элемента DDI будет стекать на землю очень малый входной ток низкого уровня 1ех= 1кбо - утечки перехода коллектор-база транзистора VT1, Этим током управлять нельзя.

На этапе ламповых ЭВМ широко использовалась логика со входными диодами. В транзисторном варианте она называется ДТЛ-диодно-

транзисторная логика. Этот элемент показан на рис. 1.1,6. Ои имеет как бы обратный способ действия по сравнению с РТЛ. Входные резисторы, снижавшие принципиально время включения элемента РТЛ, заменены входными диодами VD1-VD3. Транзистор VT1 активно закрывается дополнительным внешним напряжением смещения -Uojvi = =-1...-2 В. Диод VD4 отделяет входную матрицу VD1-VD3.

Элемент ДТЛ DDI (рис. 1.1,6) можно включить, если через переключатель S1 его вход А заземлить. Тогда диод VD1 откроется, напряжение в точке схемы S понизится до 0,7 В (это прямое падение напряжения на кремниевом диоде). Отрицательное напряжение - Ucm переведет транзистор VT1 в режим отсечки, он разомкнётся. На выходе Q появится напряжение высокого уровня ивцх-и.п- Отметим, что от входа логического элемента ДТЛ в это время стекает на землю входной ток низкого уровня 1зх= (Un-n-0,7 B)/R1.

А-В-

ВхоЗ± вховс ж

3Xlv-

V,

SI А

BbixoSq

-I Ц.П

Рис. l.I. Первые логические элементы ТТЛ:

о - однотранзисторный элемент РТЛ; б - элемент ДТЛ; s -простейший элемент ТТЛ; а функциональное обозначение.

Когда на ВХОД А от переключателя S1 будет подано напряжение -высокого уровня Ugx> диод закроется и поэтому входной ток 1 высокого уровня окажется пренебрежимо малым. На выходе Q появится выходное напряжение низкого уровня L/ x0,3 В, так как транзистор VT1 получит от источника питания ТЛи.п через диод VD4 большой открывающий ток Ig (учтем, что Un.n существенно превышает -Ucm). Таким образом, в схеме ДТЛ база ключевого транзистора VT1 непосредственно не связана с источником сигнала, в данном случае с переключателем S1. Следовательно, транзистор не примет многие помеха от источника.

Нетрудно видеть, что в элементе ДТЛ входным запускающим является ток низкого уровня, следовательно, для такой схемы активное-входное напряжение низкого логического уровня Ub- Переход к низкому запускающему уровню оказался необходимым для обслуживания источников кодовых, цифровых, командных сигналов - кнопок, переключателей и контактов реле. Замыканию их контактов на провод с нулевым потенциалом сопутствует гораздо меньше ложных импульсов запуска (так называемый дребезг контактов), чем при их замыканий на высокий потенциал.

После перехода к широкому выпуску интегральных полупроводниковых микросхем ДТЛ довольно быстро выяснилось, что для улучшения электрических параметров цифровых микросхем выгоднее заменить матрицу диодов VD1-VD4 (рис. 1.1, i?) многоэмиттерным транзистором (VT1 на рис. 1.1, в). Поэтому название ДТЛ трансформировалось в ТТЛ, т. е. транзисторно-транзисторная логика. Одно время существовало сокращение ТЛ, но оио не привилось (в отличие от названия более поздней интегральной инжекционной логики, сокращенно ИЛ, для которой не было принято сокращение ИИЛ).

Элемент ТТЛ (рис. 1.1, в) на дискретных компонентах не строился, так как многоэмиттерный транзистор разработали лишь иа этапе интегральной схемотехники. Четыре р-л перехода транзистора VT1 образуют матрицу диодов, соответствующую диодам VD1-VD4 элемента ДТЛ (рис. 1.1,6).

Рассмотренные трехвходовые элементы РТЛ, ДТЛ и ТТЛ имеют функциональное обозначение, показанное на рис. 1.1, а.

Существуют следующие разновидности микросхем ТТЛ: три ранних без применения р-п переходов с барьером Шотки (стандартные, маломощные и мощные), две со структурами Шотки ТТЛШ, а также три новые, перспективные, усовершенствованные ТТЛШ, условно называемые FAST, AS и ALS. На рис. 1.2 (в координатах потребляемая логическим элементом мощность - годы) показана взаимосвязь вариантов ТТЛ.

Рис. 1.2. Развитие ТТЛ (СТТЛ ~ ЗщМК среднего быстродействия; МТТЛ- мощные; МмТТЛ - маломощные; ТТЛШ - с переходом Шотки; МмТТЛШ - маломощные с переходом Шотки; AS - перспективные сверхскоростные с переходом Шотки; ALS - перспективные экономичные с переходом Шотки; FAST - компромиссные между AS и ALS)

тт т 1975 13S0 ms

Быстродействие самых разных по схемотехнике цифровых микросхем принято сравнивать по так называемому времени задержки распространения сигнала 1зд,р, т. е. по интервалу времени от подачи входного импульса до появления выходного. Если принять во внимание потребляемую элементом мощность Рпот, то можно подсчитать энергию, необходимую этому цифровому элементу для переноса одного бита информации Эпот=1зд,р-Рпот. По диаграмме (рис. 1.2) можно определить, что за двадцатилетие энергия Эпот, затрачиваемая в элементе