Основні характеристики цифрових мікросхем

1.1. Поняття елементів, вузлів і пристроїв комп'ютерної схемотехніки

 

Засоби комп'ютерної техніки та її складові, в залежності від функцій, які вони виконують, поділяються на елементи, функціональні вузли та пристрої, мікропроцесори та комп'ютери (рис. 1). Дані пристрої призначені для обробки диск­ретної інформації.

Елементи – найменші неподільні мікроелектронні схеми (вироби), приз­начені для виконання логічних операцій або зберігання біта інформації. До еле­ментів умовно відносяться і допоміжні схеми – підсилювачі, повторювачі, фор­мувачі та інше. Елементи в більшості випадків будуються на основі двопозицій­них ключів, що технічно реалізуються найпростіше. Елементи з двома станами називаються двійковими.

На входах і виходах двійкового елемента діють напруги, які набувають в усталеному режимі двох значень – високого U_в та низького U_н рівнів. Ці напру­ги відображають електричні сигнали. Сигнали з двома усталеними станами на­зиваються двійковими. Перехід елемента з одного стану в інший називається йо­го перемиканням. На основі елементів будують типові функціональні вузли.

Елементарні дії, які виконуються в комп'ютерах за один машинний такт, називаються мікроопераціями. Наприклад інкремент або декремент слова, зсув, інверсія, додавання та інше. У комп'ютерах команди виконуються послі­довністю мікрооперацій над двійковими словами (числами). Типовими функці­ональними вузлами комп'ютерів називаються мікроелектронні схеми, призна­чені для виконання однієї або декількох мікрооперацій. За логікою робо­ти фун­кціональні вузли розподіляються на комбінаційні та послідовнісні схеми.

У комбінаційних схемах логічний стан виходів елементів залежить тільки від вхідних сигналів у даний момент часу. До функціональних вузлів комбінаційного типу відносяться суматори, дешифратори, шифратори, мульті­плексори і демультіплексори, схеми порівняння (компаратори) і контролю за парністю, кодоперетворювачі.

У послідовнісних схемах логічне значення виходів визначають як ком­бінацією вхідних сигналів, так і станом пам'яті схеми в даний момент часу. До функціональних вузлів послідовнісного типу відносяться регістри, лічильники, генератори чисел та керуючі автомати. На основі типових функціональних вузлів створюють різноманітні пристрої комп'ютерів.

В усіх комп'ютерах використовуються генератори тактових імпульсів (ГТІ), що виробляє періодичну послідовність прямокутних імпульсів, які нази­ва­ють тактовими (С). Початок кожного імпульсу С називається тактовим мо­ментом. Часовий інтервал між двома сусідніми імпульсами С називається ма­шинним тактом Т_с. На початку кожного імпульсу С відбувається зміна інфор­мації на входах елементів і вузлів комп'ютера.

Частота ГТІ вимірюється десятками та сотнями мегагерц. Такі генерато­ри в літературі часто називають генераторами синхронізуючих імпульсів, а самі імпульси – синхронізуючими або синхроімпульсами. Амплітуда і полярність імпульсу С залежить від фізичних принципів побудови машини. Принцип подачі інформації на входи елементів і вузлів у тактові моменти часу будемо називати дискретизацією сигналів у часі.

У комп'ютерній схемотехніці використовують два основних види двій­кового сигналу: потенціальний та імпульсний (рис.3).

Сигнал, який змінюється тільки в тактові моменти часу, називається потенціальним. Сигнал, що наростає в тактовий момент часу, а спадає в грани­цях даного такту, називається імпульсним. Тривалість потенціального сигналу дорівнює або кратна тривалості машинного такту.

У відповідності до значень двійкового сигналу та відповідної змінної Х кодуються символами 0 (логічний 0) і 1 (логічна 1). Напруга, що відображає 1 позначається U¹, а напруга, що відображає 0 – U⁰.

В комп'ютерній схемотехніці використовують два способи кодування логічних сигналів Х_і потенціальними сигналами (напругою) – позитивний та не­гативний. При позитивному кодуванні (позитивна логіка) більший рівень на­п­руги U_в з урахуванням знаку відображає логічну 1, а менший U_н – логічний 0, тобто Х=1 коли U¹= U_в та Х=0 при U⁰= U_н (рис.1, а). При негативному кодуван­ні (негативна логіка) більший рівень напруги U_в з урахуванням знаку відобра­жає логічний 0, а менший U_н – логічну 1, тобто Х=1, якщо U¹= U_н та Х=0 коли U⁰= U_в (рис.3, б).

Для імпульсних сигналів розрізняють два види кодування (рис.4): пер­ший – наявність імпульсу відображає логічну 1, відсутність – логічний 0; дру­гий – наявність імпульсу однієї полярності відображає логічну 1, а іншої поляр­ності – 0.

Елементи комп'ютерів класифікують за такими ознаками:

 фізичні прилади, що використовуються;

 вид інформаційних сигналів;

 функціональне призначення;

 конструкторсько-технологічним виготовленням;

 рівнем та ступенем складності.

За типом фізичних приладів розрізняють такі елементи: побудовані па електронних лампах – перше покоління; на транзисторах – друге покоління; на ІМС малого і середнього ступеня інтеграції – третє покоління; на великих і надвеликих ІМС – четверте покоління.

За видом інформаційних сигналів виділяють наступні групи:

 потенціальні елементи – використовують тільки потенціальні сигнали;

 імпульсні елементи – використовують тільки імпульсні сигнали;

 потенціально-імпульсні елементи – використовують потенціальні та імпульсні сигнали.

За функціональним призначенням елементи комп'ютерної схемотехніки поділяються на такі класи:

 логічні елементи призначені для виконання логічних операцій – НЕ, І, ЧИ, НЕ І, НЕ ЧИ, НЕ І ЧИ та інше.

 елементи пам’яті – тригери, призначені для зберігання значення однієї двійкової змінної – нуля чи одиниці, тобто одного біта інформації;

 допоміжні елементи (підсилювачі, формувачі, перетворювачі сигна­лів, схеми часового узгодження, генератори імпульсів та ін.), призначені для забезпечення роботи елементів перших двох класів.

Елементна база сучасної комп'ютерної схемотехніки складається з інтегральних мікросхем. Це мікроелектронні вироби з високою щільністю розміщення електрорадіоелементів (резистори, діоди, транзистори) та з'єднань між ними. З погляду специфікації, випробування, постачання та експлуатації ІМС розглядаються як єдине ціле.

В ІМС електрорадіоелементи називають елементами, якщо вони невід­дільні від схеми, і компонентами, якщо їх можливо використовувати самостій­но. В подальшому, щоб уникнути невизначеність з елементами комп'ютерів, електрорадіоелементи називатимемо просто компонентами.

Класифікація мікросхем проводиться за такими ознаками:

 технологія виготовлення – напівпровідникові, гібридні, плівкові;

 конструкційним оформленням – корпусні та без корпусні;

 формою обробки інформації – аналогові, цифрові та аналогово-цифрові;

 ступенем інтеграції – малі, середні, великі, надвеликі і ультравеликі;

 типом активних елементів – виготовлених на біполярних і МОП-тран­зисторах;

 областю застосування – широкого застосування, спеціалізовані, у тому числі замовні та напівзамовні;

 використаними матеріалами – кремнієві, арсенід-галієві;

 новими фізичними принципами побудови – кріомікроелектронні, акустоелектронні, оптоелектронні, молекулярної електроніки та інше.

Набір цифрових мікросхем із спільними конструкційно-технологічними і схемотехнічними ознаками утворює серію ІМС. У комп'ютерній схемотехніці широко використовуються цифрові напівпровідникові корпусні ІМС на основі кремнію арсеніду галію. У напівпровідникових ІМС усі компоненти і з'єднання між ними виконані в об’ємі і на поверхні кристалу площею 4-100 мм². У гібрид­них мікросхемах навісні компоненти (діоди, транзистори, великі конденсатори, індуктивності, безкорпусні ІМС) кріпляться на поверхні діелектричної підклад­ки, а провідні з’єднання, резистори невеликі конденсатори та індуктивності виконуються у вигляді плівок на діелектричній підкладці.

Складність мікросхеми характеризується рівнем інтеграції К=lgN та сту­пенем функціональної складності F= lgL, де N – число компонентів; L – чис­ло двовходових логічних елементів (вентилів); значення десяткового логарифму округлюється до більшого цілого числа. Промисловість виготовляє ІМС від першого(< 10 компонент) до шостого (< 1 млн. компонент) та вищого ступеня інтеграції.

Можливості інтегральної технології визначають щільність упакування: відношення числа компонентів до об’єму (іноді до площі) кристалу. Щільність упакування в напівпровідникових ІМС складає 10⁷ комп./см³, а для гібридних – 100-200 комп./см³.

Мала інтегральна схема (МІС) вміщує до 100 компонент включно, сере­дня мікросхема – 100-1000 компонент, великі інтегральні мікросхеми (ВІС) – до 10⁵ компонент, надвеликі інтегральні мікросхеми (НВІС) – до 1 млн. компо­нент, а ультравеликі (ультра-ВІС) – до 10 млн. компонент та більше. На МІС створюють елементи, на СІС реалізують типові вузли, на ВІС, НВІС та ультра-ВІС розробляють структуру мікропроцесорів та мікрокомп’ютерів.

Кожна елементарна логічна функція реалізується відповідно логічними елементами: ЧИ (диз'юнктор), І (кон'юнктор), НЕ (інвертор). Для реалізації скла­дних функцій логічні елементи об’єднують у логічну схему. Функціона­льно повна система логічних елементів дозволяє побудувати будь-яку складну логічну схему. Такі системи утворюються такими наборами логічних елементів: 1) ЧИ, НЕ; 2) І, НЕ; 3) НЕ ЧИ; 4) НЕ І та інше. У технічно повній системі еле­ментів забезпечується значення електричних параметрів двійкових сигналів, для цього використовуються допоміжні елементи – підсилювачі, повторювачі, формувачі та інше.

З врахуванням викладеного вище можливо сказати, що система елемен­тів являє собою функціонально і технічно повний набір елементів, який викори­стовує однакові способи представлення інформації, а також спільні конструкт­тивно-технологічні характеристики.

1.2. Характеристики логічних елементів

Логічні, схемотехнічні та експлуатаційні властивості логічних елементів визначаються сукупністю характеристик і параметрів, до яких відносяться:

 функції логічних елементів;

 логічні угоди;

 коефіцієнти об’єднання за входом та виходом;

 коефіцієнт розгалудження;

 швидкодія;

 потужність споживання;

 робота перемикання;

 вхідні і вихідні напруги та струми;

 статична та динамічна стійкість до завад;

 надійність елементів;

 допустимі значення механічної дії, діапазони атмосферного тиску і температури навколишнього середовища, стійкість до радіаційних впливів.

У більшості випадків зазначені характеристики і параметри відносяться до ІМС, на яких реалізовані логічні елементи.

Коефіцієнт об’єднання за входом N_і характеризує число логічних входів логічного елемента – зазвичай 1, 2, 3, 4 або 8 (рис. 5).

Коефіцієнт об’єднання за виходом N_о характеризує допустиму кількість з’єднаних між собою виходів логічних елементів з метою утворення нових функцій.

Коефіцієнт розгалудження за виходом N_р характеризує навантажуваль-ну спроможність логічного елемента, тобто максимальне число входів ідентич­них схем, яке може бути одночасно залучене до виходу даного елемента без порушень його працездатності (рис.6). До складу серій ІМС як правило входять елементи з малою навантажувальною здатністю (N_р=3÷15) та з великою (N_р=30÷50).

Прийнято такі визначення і буквені позначення електричних параметрів цифрових мікросхем (ДСТУ 2883-94):

 вхідні U_І та вихідні U_О рівні напруг (індекси – від англійських слів Input і Output);

 вхідні напруги низького U_ІL і високого U_ІH рівнів; для них встановлю­ється максимальне значення низького рівня U_{ІL max} та мінімальне значення висо­кого рівня U_{ІH min} (рис.7, а);

 вихідні напруги низького U_ОL і високого U_ОH рівнів; для них встанов­лю­­ється максимальне значення низького рівня U_{ОL max} та мінімальне значення висо­кого рівня U_{ОH min} (рис.7, б);

 вихідний I_I і вихідний I_О струми;

 вхідний струм I_IL – при низькому рівні напруги на вході, I_IH – при високому;

 U_СС – значення напруги джерела живлення;

 I_СС – струм, що споживається ІМС від джерела живлення;

 P_СС – потужність, споживана ІМС від джерела живлення;

 вхідні граничні напруги, при яких відбувається перемикання елемен­та: U_TIH – найменше значення для високого рівня і U_TIL – найбільше значення низького рівня.

Основні параметри логічних елементів визначаються за допомогою вхід­ної, вихідної і передавальної характеристики. Типові графіки цих характери­с­тик інверсних елементів транзисторно-транзисторної логіки зображено на рис. 8.

Вхідна характеристика логічного елемента I_I=f(U_I) – це залежність вхід­ного струму від зміни вхідної напруги. Струми, що входять у схему елемента, вважають додатними, а ті, що виходять – від’ємними (рис. 8, а). За цією харак­те­ристикою визначають вхідні струми I_IL для напруги U_{IL max} і струм I_IH для нап­руги U_{IH min}. Вихідна характеристика логічного елемента U_O=f(I_O) визначає зале­жність вихідної напруги від струму навантаження для станів високого і низь­ко­­го рівнів (рис. 8, б). З наведеної характеристики визначають допустимі значен­ня струмів: + I_OL – при низькому рівні вихідної напруги U_{OL max} i -I_OH – при висо­кому рівні U_{OH min} (рис. 8, б).

Передавальна характеристика U_O=f(U_I) – це залежність вихідної напруги від вхідної (рис. 8, в). З цієї характеристики визначають значення завадостійко­сті для низького рівня на вході M_L (перешкода, що відкриває) і високого рівня на вході M_H (перешкода, що закриває):

M_L=U_TIL-U_{IL max}; M_H= U_{IH min} -U_TIH.

Середня споживана потужність елементом від джерела живлення розраховується за формулою

де I_ССL, I_ССH – струми споживання при низькому і високому рівнях напруги на виході відповідно; - середній струм споживання. Сучасні елементи спожи­вають потужності від мікроват до десятків міліват.

Потенціальні сигнали характеризуються значенням логічного перепаду (амплітудою) U_М=U_L- U_H і тривалістю позитивного t_WH та негативного t_WL пере­падів (рис. 9). Перепади напруг часто називають позитивними та негативними імпульсами.

Для вимірювання часових параметрів сигналу встановлюють умовні рівні в частках від амплітуди – 0.1; 0.5; 0.9.

Швидкодію мікросхем визначають за значеннями таких часових параметрів:

 фронту t_LH і t_HL (рис. 10, а);

 власне вмикання t_ТHL і вимикання t_ТLH (рис. 10, б), та їх затримки відповідно t_DHL і t_DLH;

 затримка поширення сигналу при вмиканні t_РHL і вимикання t_РLH (рис. 10, в).

Для практичних розрахунків використовують середній час затримки поширення сигналу

t_P=(t_PHL+t_PLH)/2.

Для оцінки якості сигналу широко використовують узагальнений пара­метр – роботу перемикання

A_n=P^*_CC·t_P.

Якщо потужність P^*_CC вимірюється в міліватах, а час затримки – в нано­секундах, то робота перемикання виражається в пікоджоулях (пДж). Значення узагальненого параметра A_n знаходиться в межах 0,1÷200 пДж. Чим менше A_n, тим кращі характеристики має логічний елемент.

Надійність ІМС характеризується трьома взаємозалежними показника­ми:

 інтенсивністю відмов λ=n/(mt) де n – число відмов за час випробуван­ня, год; m – загальна кількість мікросхем на випробуванні;

 напрацювання на відмову T=1/ λ;

 ймовірністю безвідмовної роботи протягом заданого інтервалу часу Р=exp(-λ·t).

Для сучасних ІМС інтенсивність відмов λ=(10^-7÷10^-8). Прийнявши, що λ=10^-8, t=15000, отримаємо значення ймовірності безвідмовної роботи P(t)=0,998 або 99,8%.

За конструктивно-технологічним виконанням мікросхеми поділяються на п’ять груп, яким присвоєно такі позначення (ДСТУ 3212-95):

 напівпровідникові на біполярних транзисторах – 1,6;

 напівпровідникові на польових транзисторах – 5,7;

 гібридні – 2,4;

 інші (плівкові, вакуумні, керамічні та інше);

 резерв – 0,8,9.

Зазначені групи мікросхем за конструктивно-технологічним виконанням поділяються на підгрупи, яким надаються такі позначення:

 для першої групи: комбіновані структури з біполярними та польовими транзисторами -0; структура на біполярних транзисторах з ізоляцією p-n-переходом чи діелектриком – 1,2; на транзисторах з інжекційною інтегрованою логікою – 3; резерв - 4÷9;

 для другої групи: структура на польових транзистора n- або p- типу – відповідно 5,6; із симетричною комплементарною структурою – 7; структури із зарядовим зв’язком – 8; резерв - 1÷4,9;

 для третьої групи (гібридні мікросхеми): товстоплівкові -1; тонко плі­в­кові – 2; комбіновані – 3; резерв - 4÷9;

 для четвертої групи: товстоплівкові – 4; тонко плівкові – 2; комбіно­вані – 3; резерв - 4÷9.

За функціональним призначенням мікросхеми поділяються на групи, яким надаються такі позначення:

 генератори – Г;

 комутатори та ключі – К;

 логічні елементи – Л;

 багатофункціональні схеми – Х;

 набори елементів – Н;

 перетворювачі сигналів – П;

 схеми джерел вторинного електроживлення – Е;

 схеми затримки – Б;

 схеми порівняння – С;

 тригери – Т;

 підсилювачі - У;

 формувачі – А;

 схеми запам’ятовуючих пристроїв – Р;

 схеми цифрових пристроїв – И;

 схеми обчислювальних засобів – В.

У кожній функціональній групі розрізняються види, наприклад:

 логічних елементів: ЛИ – елемент І; ЛН – елемент НЕ; ЛЛ – елемент ЧИ; ЛА – елемент НЕ І; ЛЕ – елемент НЕ ЧИ; ЛР – елемент НЕ І ЧИ; ЛД – роз­ширювачі; ЛП – інші;

 тригерів: ТВ – універсальні (тип JK); ТР – з роздільним записом (тип RS); ТМ – із затримкою (тип D); ТК – комбіновані; ТП – інші;

 схеми обчислювальних засобів: ВЕ – мікро-ЕОМ; ВМ – мікропроце­сори; ВС – мікропроцесорні секції; ВУ – схеми мікро програмного керування; ВБ – схеми синхронізації; ВВ – схеми інтерфейсу; ВН – часозадаючі схеми; ВП – інші.

Для характеристики матеріалу і типу корпусу за ГОСТ 174-67 перед цифровими позначеннями серії додаються такі букви:

 Р – для пластмасового корпусу типу 2;

 М – для керамічного та металокерамічного корпусу типу 2;

 Е – для метало полімерного корпусу типу 2;

 С – для скло керамічного корпусу типу 2 та інше.

Для деяких мікросхем буквені позначення типу корпусу не застосову­ють.

Присвоєння позначень мікросхемам здійснює у централізованому по­рядку головна організація із стандартизації виробів електронної техніки.

Позначення мікросхем має складатися з таких елементів:

 перший і другий елементи – дві цифри, які характеризують відповідно групу і підгрупу мікросхеми за конструктивно-технологічним вико­нанням;

 третій елемент – дві цифри, що позначають порядковий номер роз­роб­ки серії мікросхеми;

 четвертий елемент – дві букви, що характеризують відповідно групу та вид мікросхеми;

 п’ятий елемент – дві цифри, що позначають порядковий номер роз­робки мікросхеми.

Три перших елементи визначають серію мікросхеми. У разі необхідності після позначення порядкового номера розробки мікросхеми за функціональним призначенням додатково проставляються букви від А до Я, що характеризують відмінність мікросхем одного типу за електричними параметрами, Така буква під час маркування може бути замінена кольоровою міткою. Буква чи колір маркування зазначають у технічних умовах до мікросхем конкретних типів.

Приклад умовного позначення мікросхеми:

 5704ВГ03 – напівпровідниковий програмований контролер керуван­ня динамічною пам’яттю з симетричною комплементарною структу­рою серії 5704; номер розробки серії – 04; номер розробки мікросхеми у даній серії за функціональним призначенням – 03 (рис. 11);

 1101УД06 – напівпровідникова мікросхема серії 1101, порядковий номер розробки серії – 01, структура на біполярних транзисторах з ізо­ляцією p-n переходом, операційний підсилювач постійного струму, порядковий номер розробки мікросхеми в даній серії за функціона­ль­ним призначенням – 06.

Перед умовним позначенням мікросхеми наводиться скорочена назва держави-розробника – У (Україна). Для мікросхем із кроком 1,27 або 2,54 мм між виводами корпусу, які поставляються на експорт, на початку умовного поз­начення після літери У проставляється літера Е, наприклад:

 УЕ1217УД06 – мікросхеми серії 1217, вироблені в Україні в експор­тному виконанні (крок виводів 1,27) в пластмасовому корп­усі типу 2.

2. Елементи комп’ютерної схемотехніки

2.1. Діодні, транзисторні, інтегрально-інжекційні та діодно-транзисторні логічні елементи

У комп’ютерній схемотехніці в основному використовують потенціа­ль­ну систему елементів. Вона має такі особливості:

 на входах та виходах логічних елементів діють тільки потенціальні сигнали;

 з виходу одного елемента на вхід іншого передаються як перехідні, так і усталені значення сигналів;

 на шляху потенціального сигналу недозволено вмикати конденсатори, обмотки трансформаторів, оскільки тривалість потенціального сиг­налу взагалі не обмежена (такий вид електричного зв’язку називають гальванічним або безпосереднім);

 відсутність конденсаторів і трансформаторів у колах зв’язку сприяє спрощенню технології виготовлення мікросхем;

 реалізується обмежений набір булевих функцій: НЕ, ЧИ, І, НЕ ЧИ, НЕ І, НЕ І-ЧИ, що полегшує застосування автоматизованих методів про­ек­тування.

Потенціальні елементи розрізняють за схемотехнічною ознакою – спосо­бом з’єднання транзисторів, діодів і резисторів між собою в межах однієї схеми типового базового елемента. Прийнято вважати, що сукупність елементів із за­гальною ознакою побудови утворюють вид схемної логіки або просто логіку.

Розрізняють такі види логіки потенціальних елементів:

 діодна (ДЛ) і діодно-транзисторна логіка (ДТЛ);

 транзисторна логіка (ТЛ), у якій виділяють схеми з безпосереднім зв’язком (ТЛБЗ), з резистор ним зв’язком (ТЛРЗ) і резисторно-конден­саторними зв’язками (ТЛРКЗ);

 інтегрально-інжекційна логіка (ІІЛ або І²Л);

 транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ) та її модифікації з діодом Шотки (ТТЛ);

 емітерно-зв'язана логіка (ЕЗЛ);

 МОН-транзисторна логіка (p-МОН, n-МОН, КМОН);

 логіка на основі арсеніду галію (AsGa).

2.1.1. Діодні логічні елементи

Діодні логічні елементи є історично першими і найпростішими схемами, що реалізують булеві функції ЧИ, І, І-ЧИ, ЧИ-І. Діодні елементи не підсилюють вхідний сигнал і не виконують операцію НЕ.

При розгляді роботи логічних елементів приймають (якщо не оговорено окремо) позитивне кодування: високий рівень напруги U_Н відображає лог. 1, а низький рівень U_L – лог. 0.

Елемент ЧИ Таблиця 2.1

Логіка роботи логічного елемента ЧИ на два вхо­ди Х₁ і

Х₂ подана в таблиці 2.1 на основі якої отримано вираз для вхі­дної мулевої функції елемента .

Використовуючи принцип суперпозиції, функцію F мож­­на записати для довільної кількості вхідних змінних

.

Схема двоходового елемента ЧИ, та умовне графічне зображення і часо­ві характеристики зображено на рис. 2.1.

Високий рівень напруги U_ОН на виході діодного елемента ЧИ встанов­люється при подачі на один або обидва входи високих рівнів напруги U_ІН, при яких відкриваються відповідні кремнієві діоди VD1 чи VD2, або обидва разом. Через резистор навантаження R_Н проходить вихідний струм І_ОН, який визнача­ється за формулою

І_ОН=U_ОН/R_Н

Значення вихідного високого рівня U_ОН залежить від вхідних напруг:

U_ОН= U_ІН- U^*,

де U^*=0,8 В – пряме падіння напруги на кремнієвому діоді.

Для U_ІН=5 В, R_Н=1 кОм отримаємо

U_ОН= U_ІН- U^*=5-0,8=4,2 В;

І_ОН=U_ОН/R_Н=4,2/103=4,2 мА.

Під час подачі одночасно на обидва входи низьких рівнів напруги U_IL≤0,4 В, діоди закриті, струм у колі навантаження не протікає і вихідна напруга U_ОL майже дорівнює нулю.

На виході елемента звичайно існує паразитна ємність С_П=25±100 пФ, в наслідок чого тривалість фронту t_LH дуже мала (ємність швидко заряджається від джерела вхідних сигналів через малий прямий опір відкритого діода), а три-валість спаду t_НL велика (діоди закриті і ємність розряджається через резистор R_Н). Тому для діод них схем ЧИ виконується нерівність t_LH<< t_НL (рис. 2.1. в).

Елемент І

Роботи логічного елемента І на два входи Х₁ та Х₂ подана в табл. 2.2, на основі якої отримано вираз для вихідної булевої функції елемента F=X₁X₂.

Таблиця 2.2 Використовуючи принцип суперпозиції функцію F мож­ливо записати для довільної кількості вхідних змінних:

F=X₁X₂…X_n.

Схема двоходового елемента І, його умовне позначення і часові діаграми роботи, показано на рис. 2.2.

Високий рівень напруги U_OH на виході діодного елемента І встановлює­ться тільки при одночасній подачі на обидва входи високих рівнів напруги U_ІH, при яких закриваються кремнієві діоди VD1 і VD2. При цьому від джерела жив­лення U_СС через резистори R і R_Н протікає струм навантаження

І_ОН= U_СС/(R+R_Н),

що визначає значення високого рівня вихідної напруги

U_OH= І_ОН R_Н= U_СС R_Н/(R+R_Н).

Як правило, використовують резистор R=1…2 кОм та R_H>R. Тривалість фронту вихідного сигналу t_LH визначається часом заряду паразитної ємності С_п через великий опір резистора R. Якщо на один із входів, наприклад Х₁, подано низький рівень напруги U_ІL тоді діод VD1 відкривається. При цьому від джере­ла живлення U_СС у колі резистора R, відкритий діод VD1 та джерело вхідного сигналу Х₁ протікає струм, значення якого розраховуємо за формулою

I_IL=[ U_СС-(U^*+U_IL)]/R,

і на виході встановлюється низький рівень напруги

U_OL=U_CC-I_ILR=U_IL+U^*,

де U^*=0,8 В – пряме падіння напруги на відкритому діоді VD1. Джерела вхід­них сигналів формують так, щоб вони пропускали струм І_IL, який в них про­тікає.

Тривалість спаду вхідного сигналу визначається часом розряду пара­зитної ємності С_П через малий прямий опір відкритого діода. Тому в діод них схемах І тривалість фронту вихідного сигналу значно більша за тривалість спаду t_LH>>t_HL.

2.1.2. Елемент НЕ

Логіка роботи логічного елемента НЕ (інвертора) наведена в табл. 2.3, на основі якої отримано вираз для вихідної булевої функції F= .

Схема елемента НЕ, умовне графічне зображення і часові Таблиця 2.3

X	F

діаграми показані на рис. 2.3. Схема елемента НЕ включає: VT1 – кре­м­нієвий транзистор n-p-n типу, резистори в колі колекторного наван­таження R_К і бази R_Б; U_СС – джерело живлення. Таку схему часто нази­вають транзисторним ключем.

Транзистор VT1 може знаходитись в трьох основних режимах: відсічки колекторного струму (закритий стан), насичення (відкритий стан) і активної роботи (підсилення). У режимі відсічки колекторний і базовий переходи закриті (на вхід подано низький рівень напруги U_IL), у колі колектора протікає дуже малий струм колекторного переходу І_К0≤1 мкА і на колекторі транзистора встановлюється високий рівень напруги, що визначається за формулою

U_OH=U_CC- I_K0R_K≈U_CC

У режимі насичення (на вхід подано високий рівень напруги U_OH) на переході база-емітер кремнієвого транзистора пряме падіння напруги дорівнює U_Б0=U^*=0,8 В, через колектор протікає максимально можливий струм, який на­зивається струмом насичення колектора І_КН. Значення цього струму знаходять
із співвідношення

I_KH=(U_CC-U_KH)/R_K,

де U_KH= U_ОL≤0,4 В – напруга на колекторі повністю відкритого транзистора. Наприклад, для типових значень U_CC=5 В, R_K=1 кОм отримаємо струм І_КН≈5 мА. Для отримання даного струму потрібно мінімальний базовий струм наси­чення І_БН, значення якого обчислюють за співвідношенням

І_БН=І_КН/β,

де β – коефіцієнт передачі базового струму в транзисторі, увімкненому за схе­мою із спільним емітером. Для забезпечення надійного насичення транзистора значення базового струму насичення розраховують за співвідношенням

I_БІ=SІ_БН,

де S=3…10 – ступінь насичення. Наприклад, якщо β=50, то І_БН=0,1 мА і прямий струм бази, що вмикає транзистор, I_БІ=0,5 мА для S=5.

Значення опору резистора R_Б отримуємо з умови забезпечення необхід­ного значення вмикаючого струму І_БІ:

R_Б=(U_IH-U^*)/I_БІ.

Для U_IH=5 В, U^*=0,8 В отримаємо R_Б=8,4 кОм.

У режимі насичення в базі транзистора накопичується надлишковий заряд, значення якого пропорційне ступеню насичення. При подачі низького рівня вхідного сигналу транзистор закривається. Проте колекторний струм залишається постійним в інтервалі часу t₂-t₁, який називається часом розсмок­ту­вання t_роз надлишкового заряду в базі (рис. 2.3, в). Після закінчення розсмокту­ва­ння струм спадає і формується фронт вихідного сигналу t_LH. Таким чином, наявність насичення викликає затримку вимикання інвертора, що є недоліком даної схеми.

Зменшення тривалості перехідних процесів забезпечується схемою елемента НЕ (рис. 2.4, а), у якій замість резистора R_Б включено два послідовно увімкнені діоди VD1 і VD2.

Діоди VD1 і VD2 називаються зміщувальними, оскільки вони зміщують граничний рівень вхідної напруги на значення 2U^*. Ємність С_Б називається при­скорюючою (форсуючою), оскільки вона при вмиканні швидко заряджається, збільшуючи при цьому прямий струм бази >І_Б1, а при вимиканні швидко роз­ряджається, створюючи зворотній, вимикаючий струм І_Б2. Цей струм приско­рює розсмоктування надлишкового заряду в базі транзистора.