Логические элементы интегральных микросхем

Логическими элементами (ЛЭ) называют электронные схемы, выполняющие логи­ческие операции с цифровыми сигналами, имеющими два значения; U⁰ (логический нуль) и U¹ (логическая единица). Основными логическими операциями являются:

логическое отрицание (инверсия, операция НЕ), логическое сложение (дизъюн­кция, операция ИЛИ) и логическое умножение (конъюнкция, операция И). Комбинация логических операций НЕ и ИЛИ позволяет осуществить более слож­ную операцию ИЛИ—НЕ. Сочетание операций НЕ и И приводит к логической операции И—НЕ. Логическую операцию НЕ осуществляет рассмотренный ранее электронный ключ. Логический элемент, выполняющий эту операцию, называют инвертором. Условные графические обозначения ЛЭ показаны на рис. 8.16.

Базовыми для построения ЛЭ являются электронные ключи. Основной характе­ристикой ЛЭ является рассмотренная ранее передаточная характеристика с той лишь разницей, что она представляет зависимость выходного напряжения от на­пряжения на одном из входов при постоянных напряжениях на остальных входах.

Параметрами ЛЭ являются:

□ коэффициент объединения по входу К_об ;

□ коэффициент разветвления по выходу К_разв ;

□ среднее время задержки распространения сигнала t_{эд.р.ср.} ;

□ логический перепад ;

□ пороговые напряжения и ;

□ статическая помехоустойчивость и ;

□ потребляемая мощность , где и — мощности, потребляемые при подаче на вход напряжений U⁰ и U¹;

□ работа переключения .

Помимо электрических параметров ЛЭ характеризуются конструктивно-техно­логическими, к которым относятся:

□ относительная площадь, выражаемая числом литографических квадратов состороной ,

где — минимальный топологический размер, определяемый уровнем технологии;

□ количество основных технологических операций, используемых при изготов­лении микросхемы.

Простейшим логическим элементом является схема транзисторной логики с не­посредственными связями (ТЛНС), основанная на параллельном соединении транзисторных ключей с общей коллекторной нагрузкой (рис. 8.17). Управляю­щие сигналы х₁ и х₂ подаются на базы транзисторов VT₁и VT₂ с коллекторов предыдущих ЛЭ. Если на входы х₁ и х₂ поданы сигналы , то транзисторы VT₁ и VT₂ заперты, ток от источника течет через резистор R_к в базовую цепь тран­зистора VT₃ и на выходе ЛЭ устанавливается напряжение . Если на одном из входов действует высокий уровень то соответствующий транзистор открывается и на выходе ЛЭ устанавливается напряжение , недостаточное для отпирания транзистора VT₃. Такой же уровень получается при отпирании обоих транзисторов. Следовательно, ЛЭ выполняет операцию ИЛИ—НЕ.