ТТЛ, была уменьшена со 120...140 до 5 .. .20 пДж, т.е. примерно на полтора порядка. Основная часть этой экономии получена в результате многократного уменьшения времени 1зд,р. Одновременно путем усовершенствования технологических методов изготовления полупроводниковых структур удалось снизить в 2-3 раза и потребляемую мощность

Рпот.

Интересно, что теоретически наименьшая энергия переноса единицы информации равна произведению кТ. Здесь к - постоянная Больц-мана, Т - абсолютная температура. Произведение кТ - это энергия элементарного шумового выброса. Для Т=300 К Эпо1 = кТ= 1,38-Ю-Х Х300=4-10- пДж. Таким образом, современные микросхемы, а следовательно, и ЭВМ, построенные на этой элементной базе, потребляют энергию, на девять порядков большую по сравнению с теоретическим пределом. Эту энергетическую пропасть полезно, однако, сравнить с результатом развития, отображенным на диаграмме (см. рис. 1.2): может быть, к теоретическому пределу Эдот=кТ удастся приблизиться через 120 лет?

Сейчас в блоках аппаратуры можно встретить все перечисленные варианты микросхем ТТЛ. Напряжение питания у них одинаковые ии.п = Б В±10 %, а входные и выходные логические уровни сов.местимы. Микросхемы ТТЛ более новых серий имеют улучшенные электрические параметры, но расположение их выводов (т. е. цоколевка) остается прежним. Полная электрическая и конструктивная совместимость однотипных микросхем ТТЛ из разных серий снимает многие проблемы развития и улучшения параметров аппаратуры и стимулирует наращивание степени внутренней интеграции вновь выпускаемых микросхем, когда на одном кристалле размещается все большее число функциональных узлов, многие из которых ранее были самостоятельными микросхемами.

Основная номенклатура применяемых сейчас микросхем ТТЛ имеет средний уровень интеграции. Советуем читателям самостоятельно подсчитать (естественно, приблизительно) число транзисторов в микросхеме, например регистра (см. § 1.15). На кристалле микросхемы такой сложности располагается 1000 и более транзисторов.

Сейчас все более доступными становятся большие интегральные схемы (БИС). Это микропроцессоры, контроллеры к ним, запоминающие устройства, программируемые логические матрицы и многое другое. Число транзисторов в БИС приближается к 100 000. Микропроцессорная сверхбольшая интегральная схема (СБИС) имеет 350 ООО транзисторов при числе разрядов процессора 32. Все же для решения аппаратурных задач небольшого объема и для создания местных, локальных узлов в так называемой цифровой среде, состоящей нз многих БИС, требуются и простые микросхемы.

Анализируя работу микросхем в цифровой аппаратуре, можно условно определить, что до 20 % из них должны работать с предельными скоростями во входных устройствах приема данных, а примерно 60 % - с умеренными в обрабатывающей, т. е. процессорной части. Остальные микросхемы могут быть низкоскоростными, экономичными. Они работают в индикаторных и регистрирующих устройствах. В общих чертах это соотнощение существует и между объемами выпуска быстродействующих, стандартных и низкоскоростных микросхем ТТЛ.

Исходная схема элемента ТТЛ 60-х годов оказалась пригодной для масштабного моделирования: номиналы резисторов в ней можно было увеличивать или уменьшать в определенное число раз. Этим приемом пропорционально изменяют как быстродействие, так и потребляе-

мую мощность для микросхем разных серий. Существенные изменения в схему логического элемента были внесены лишь на этапе внедрения структур Шотки. В 80-е годы (см. рис. 1.2) энергию Эпот старались снижать путем постепенного уменьшения объема интегрального транзистора.

1.2. СХЕЛЮТЕХНИКА ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ

Логическую функцию в элементе ТТЛ выполняет многоэмиттерный транзистор (рис. 1.3, а). Ко входу логического элемента присоединен управляющий переключатель S1, движок которого может занимать два положения -В и Н. В положении В па вход поступит напряжение высокого уровня, т. е. питающее напряжение Ua.n, в положении Н - напряжение низкого уровня, соответствующее нулю потенциала (потенциал земли, вход заземляем). Если на вход (см. рис. 1.3, а)

I-г \/т1 Ъ-?- г -/- ЭЗ vn

t-f-LL

JH.f н i---

-h bxosi

выход Y

Рис. 1.3. К пояснению работы входа ТТЛ с многоэмиттерным транзистором:

о - путь входного тока; б - путь входного тока при нескольких входах; в - токи в транзисторе VT1 прн высоком входном уровне; г - токи в простейшем инверторе

подано низкое напряжение, появляется входной стекающий ток HHaKO- го уровня Ig: от провода питания ии.п=5 В через базовый резистор Rq, через переход база -эмиттер транзистора VT1, далее через контакт Н переключателя S1 на землю. Силу базового тока 1вх=1б° = (Un.n-U53)/Rb нормирует резистор Rg. В скоростных и экономичных микросхемах номиналы Rg взаимно отличаются в 15 раз.

На рис. 1.3,6 показан транзистор VT1 с тремя эмиттерами Э1- ЭЗ (два из них не присоединены). Уровень тока 1, логического элемента DDI соответствует предыдущему случаю. Более того, если все трн эмиттера, т.е. логических входа DDI, соединить вместе, ток Ig практически не изменится. Таким образом, неиспользуемые входы можно оставлять разомкнутыми. Если заземлен хотя бы один из входов элемента ТТЛ (рис. 1.3,6), смена логических уровней на остальных входах не влияет на выходное напряжение Ubh.x.

В обеих схемах (рис. 1.3, а, 6) и8ых = 0. Когда хотя бы один эмиттер у транзистора VT1 заземлен, ток IgjIg течет на землю по пути с малым сопротивлением, т. е. через переход база - эмиттер и пере-. ключатель S1. Переход база - коллектор транзистора VT1 открыться не может, так как на нем нет избыточного напряжения более 0,7 В =

Переведем движок переключателя в положение В (рис. 1.3, в). Теперь переход эмиттер - база транзистора VT1 будет закрыт, так как нет разности потенциалов между эмиттером и базой, поскольку эти электроды присоединены к общему проводу питания. От положительного полюса источника питания ии.п = 5 В на вход I поступает лишь входной ток утечки высокого уровня I, не превышающий прн нормальной температуре нескольких наноампер и направленный навстречу эмиттерной стрелке, указывающей проводимость транзистора (напомним, что токи протекают в цепях от высокого потенциала к низкому).

Большой по силе ток базы Ig теперь течет через открытый переход база - коллектор (т.е. вправо на рис. 1.3, в), а затем через резистор нагрузки Rh к нулевому потенциалу. На коллекторе VT1 появляется напряжение высокого уровня

uL,x U .nlR /{R +i?6)]. <1-1)

Таким образом, на рис. 1.3, s показан одновходовой элемент ТТЛ, не изменяющий фазу входного сигнала. Когда на вход I подается напряжение низкого уровня Н, на выходе Y будет также напряжение низкого уровня, а входному сигналу высокого уровня В будет соответствовать выходное напряжение высокого уровня >q. Такой элемент назовем неинвертирующим. Напомним, что здесь активное, включающее-входное напряжение низкого уровня, когда через управляющий переключатель S1 на землю стекает большой входной ток 1°. Например, для стандартных элементов ТТЛ (основа серии К155) ток одного входа Igjj= 1,6 мА.

Для инвертирующего логического элемента входные и выходные напряжения высокого и низкого уровней взаимно противоположны: В и Н, Н и В. На рис. 1.3, г показана простейшая схема инвертора ТТЛ. Здесь к предыдущей схеме добавлен транзистор VT2, который переворачивает фазу выходного напряжения. Если от переключателя S1 на вход I поступает напряжение высокого уровня В, оконечный транзистор VT2 насыщается базовым током Ig и выходное напряжение низкого уровня на его коллекторе Цх становится близким к нулю, точнее, не превышает 0,3 В. Это наибольшее значение напряжения насыщения коллектор - эмнттер для кремниевого транзистора VT2.