Принцип действия, применение и расчет логических элементов ЭСЛ

Введение
Схемы первых интегральных элементов были такие же, как при использовании дискретных компонентов. Однако очень скоро были обнаружены новые возможности интегральной техники, позволяющие создавать схемы с очень выгодными параметрами на совершенно новых принципах. Появились разнообразные ряды интегральных цифровых схем, из которых в настоящее время наиболее распространён ряд транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) схемы, а для систем с большим быстродействием наиболее перспективен ряд ЭСЛ (логические схемы с эмиттерной связью).Целью работы является изучение принципа действия, применение и расчет логических элементов ЭСЛ.Задачи работы: Рассмотреть понятие и сущность ЭСЛ.Изучить принцип действия и применение ЭСЛ.Изучить методику расчета логических элементов ЭСЛ.1. Понятие и сущность ЭСЛЭмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) - это чрезвычайно быстродействующая разновидность логики, схемотехническая особенность выполнения которой состоит в переключении транзисторов без захода рабочей точки в области насыщения либо отсечки, т.е. в работе компонента в линейном режиме. Элементарный фрагмент ЭСЛ состоит из дифференциального усилительного каскада.Кажется, наиболее простым решением было бы построить схемы на базе простых усилителей. В таких усилителях транзисторы никогда не заперты полностью и никогда не проводят полностью. Переключение между состояниями открыт-закрыт происходит чрезвычайно быстро. Однако у усилителей на транзисторах много проблем с помехоустойчивостью. Разница между уровнями мала, и состояние выхода нестабильно. Даже изменение температуры может повлиять на выходной уровень.Основная деталь ЭСЛ-логики - схема потенциального сравнения, собранная не на диодах (как в ДТЛ), а на транзисторах. Схема представляет собой транзисторы, соединённые эмиттерами и подключенные к корпусу (или питанию) через резистор. При этом транзистор, у которого напряжение на базе выше, пропускает через себя основной ток. Как правило, один транзистор в схеме сравнения подключен к опорному уровню, равному напряжению логического порога, а остальные транзисторы являются входами. Выходные цепи схемы сравнения поступают на усилительные транзисторы, а с них - на выходные эмиттерные повторители.Микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) являются самыми быстродействующими из всех типов логик, и обеспечивается это за счет целого ряда особенностей этой логики.Главная особенность эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), повышающая ее быстродействие, заключается в том, что схема ее логического элемента основана на дифференциальном усилителе (балансном каскаде), дифференциальном переключателе тока, два транзистора которого переключают ток и не попадают в режим насыщения. Благодаря этому значительно сокращается время выхода транзисторов логического элемента из открытого состояния и существенно повышается общее быстродействие.Особенностью ЭСЛ также является повышенные скорость (150 МГц уже в первых образцах 60-х годов и 0,5-2 ГГц в 70-80-х) и энергопотребление по сравнению с ТТЛ и КМОП (на низких частотах, на высоких - примерно равное), низкая помехоустойчивость, низкая степень интеграции (ограниченная, в частности, большой потребляемой мощностью каждого элемента, что не позволяет разместить в одном корпусе много элементов, так как это приведёт к перегреву) и как следствие - высокая стоимость. Существует как «+»-значная логика, так и «-» -значная.Скорость преобразование информации на уровне логических вентилей определяется их схемотехнической организацией, топологией и, главным образом, быстродействием элементарных переключателей- транзисторов.Быстродействие транзисторов, характеризующиеся временами переключения из открытого состояния в закрытое и наоборот, определяется принципом действия, физической структурой и топологическими размерами. На протяжении сорока пяти лет переключатели в устройствах автоматики совершенствовались. Этот процесс носит эволюционный характер - прежде всего уменьшаются размеры классических транзисторов и совершенствуются их физическая структура. Одновременно с этим процессом ведутся интенсивные поиски новых принципов функционирования, которые обеспечили бы более высокое быстродействие. В настоящее время известно большое число транзисторов различных типов, разобраться с которыми удобно с помощью классификационной диаграммы.Первым классификационным признаком транзисторов как переключателей для цифровых схем являются принцип действия.2. Принцип действия и применение ЭСЛПринцип работы базового ЭСЛ-элемента основан на работе переключателя тока на транзисторах. Вследствие не идеальности источника тока уровень некоторой степени зависит от величины доминирующего входного напряжения.В транзисторах скоростные и усилительные свойства обеспечиваются специфическими физическими процессами, явлениями и эффектами, протекающими в монокристаллических и поликристаллических полупроводниковых материалах. В результате взаимодействия этих процессов и их определенной последовательности оказывается возможным управлять величиной тока между токопроводящими (управляемыми) электродами, посредством напряжения и/или тока на входном электроде. Причем малые величины входных воздействий позволяют управлять токами между токопроводящими электродами в широком диапазоне.Для обеспечения высокого быстродействия элементарных переключателей необходимо чтобы транзисторы были способны коммутировать возможно большие токи при возможно меньших управляющих напряжениях.Количественно это свойство транзистора как переключателя- усилителя определяется параметром, называемым крутизной характеристики. Видами физических процессов определяются также такие важные характеристики переключателя как сопротивления между токопроводящими электродами в открытом и закрытом состояниях.Физические процессы определяют также сколько энергии необходимо затратить на отпирание и запирание переключателя и за какое время - это можно осуществить. Скоростные качества транзисторов определяются характерными рабочими частотами. По принципу действия транзисторы подразделяются на два класса биполярные и униполярные.В биполярных транзисторах под воздействием входных сигналов протекают процессы инжекции неосновных носителей заряда, их рекомбинация с основными носителями в процессе дрейфа и диффузии, коллектирование носителей заряда.Эти процессы обуславливает перемещение и накопление электронов и дырок в структуре биполярного транзистора, токи и потенциалы на внешних токопроводящих электродах транзисторов в зависимости от внешнего воздействия на управляющем электроде.Особенностями биполярного транзистора как переключателя, вытекающими из его принципа действия, являются высокая величина крутизны преобразования, малые величины сопротивления в открытом состоянии и высокие значения сопротивления в закрытом состоянии.Высокая величина крутизны преобразования обусловлена процессом инжекции неосновных зарядов, их дрейфом и диффузией, обуславливающих близкие к единице значения коэффициента передачи тока и экспоненциальной зависимостью тока от входного напряжения. Малые величины сопротивления между токопроводящи ми электродами эмиттера и коллектора в открытом состоянии обусловлены, так называемым, режимом насыщения. В этом режиме сопротивление идеального биполярного транзистора равно нулю. В реальном же транзисторе это сопротивление определяется паразитным сопротивлением области коллектора. Поэтому открытый биполярный транзистор способен пропускать между электродами эмиттера и коллектора токи больших величин без существенного падения напряжения между ними. Такова позитивная сторона режима насыщения, специфического режима работы биполярного транзистора. Негативная сторона режима насыщения заключается в том, что в этом режиме происходит накопление избыточного заряда неосновных носителей. Этот избыточный заряд увеличивает время закрывания транзистора на величину времени его рассасывания.Другими факторами, определяющими быстродействие биполярных транзисторов, являются паразитные емкости.В униполярных транзисторах (полевых), в отличие от биполярных, принцип действия базируется на управлении входным воздействием (полем) потоком носителей одного знака или электронов, или дырок. Униполярные униполярные транзисторы называются полевыми, причем последнее название используется чаще.Ток в полевых транзисторах, поскольку они являются униполярными, переносится только основными носителями и паразитный эффект накопления неосновных носителей в них отсутствует. За исключением полевых транзисторов с управляющим р - п переходом. Это первая особенность полевых транзисторов как переключателей, вытекающая из физического принципа действия. Быстродействие полевых транзисторов определяется сопротивлением канала, прямо пропорциональным его длине и паразитными емкостями. От длины канала зависит также и величина крутизны преобразования. Вторым классификационным признаком можно принять структуру транзистора. По данному принципу биполярные транзисторы подразделяются на гомо и гетеро структурные. Особенностью биполярных транзисторов, вытекающей из физической структуры, является необходимость их изоляции друг от друга при использовании в составе интегральной схемы. Средства изоляции (обратно смещенный р-n переход, диэлектрические области и комбинации р-п переходов и диэлектриков) являются вспомогательными элементами конструкции, которые не определяют выполнение функций ключа, но требуют дополнительных затрат площади и вносят паразитные емкости, от которых зависит их быстродействие. Известны и широко используются в интегральных схемах цифровых устройств три типа изоляции: изоляция обратно смещенным р-n переходом, полная диэлектрическая и комбинированная.Полевые транзисторы реализуются в трех структурных типах. Наиболее широко распространенным типом является транзистор со структурой «металл-окисел полупроводник» (МОП-транзистор). МОП-транзистор имеет две структурные разновидности: со встроенным каналом и индуцированным каналом.Особенностью полевых транзисторов данного типа и обоих структурных разновидностей является их самоизоляции от подложки и, следовательно, друг от друга при использовании в составе интегральных схем цифровых устройств. Это свойство позволяет тратить для размещения переключателей меньшую площадь поверхности кристалла по сравнению с биполярным транзистором.Второй тип полевого транзистора - полевой транзистор с управляющим р-n переходом в структурном отношении занимает промежуточное положение между биполярным транзистором и полевым МОП-транзистором. Данный тип полевого транзистора имеет две структурные разновидности. Он может быть выполнен с горизонтальным или вертикальным встроенными каналами.3. Расчет логических элементов ЭСЛНа рис. 2(а) показано условное графическое обозначение базового элемента ЭСЛ на функциональных схемах, где х1, х2, …, хn - входы; у1 - инверсный выход; у2 - прямой выход. Минимальное число входов равно двум. Элемент реализует для -положительной логики‖ одновременно функции ИЛИ–НЕ (стрелка Пирса) по выходу у1 и функцию ИЛИ (дизъюнкция) по выходу у2. Логика работы элемента на три входа представлена таблицей состояний (рис. 1).Рисунок 1. Таблица состояний элемента ЭСЛ для «положительной» логикиРисунок 2. Условное графическое обозначение элемента ЭСЛЛогическое уравнение работы элемента, составленное по таблице на рис. 1, записывается в видеВ (1) знак плюс соответствует дизъюнкции, т. е. логическому сложению.На рис. 3(а) приведена временная диаграмма, поясняющая логику работы элемента ЭСЛ на три входа.Рисунок 3. Временная диаграмма работы элемента ЭСЛНа рис. 4 приведена принципиальная электрическая схема элемента ЭСЛ с напряжением питания Uип = - 5 В. В зависимости от способа кодирования входной информации («1» и «0») эта схема может реализовать либо функции ИЛИ-НЕ, ИЛИ для положительной логики, либо функции И-НЕ, И для отрицательной логики.Рисунок 4. Схема электрическая принципиальная элемента ЭСЛДля положительной логики «1» и «0» представляются напряжениями U0 = - 1,45/1,9 В , U1 = - 1,45/0,95 В , а для отрицательной логики – напряжениями U0 = - 0,7/-0,95 В , U1 = - 1,45/-1,9 В.На рис. 2(б) приведено условное графическое обозначение базового логического элемента ЭСЛ на функциональных схемах для отрицательной логики. Рисунок табл. 5 - соответствующая таблица состояний для элемента на три входа. Из таблицы следует, чтоа Таким образом, по выходу у1 реализуется функция И-НЕ, а по выходу у2 - функция И.Рисунок 5. Таблица состояний элемента ЭСЛ для «отрицательной» логикиНа рис. 3(б) приведена временная диаграмма, поясняющая логику работы элемента в соответствии с рисунком табл. 5.
Заключение
В заключении хочется отметить, что логический элемент ЭСЛ становиться всё более популярней, так как имеет высокую скорость обработки информации.Микросхемы, выполненные по технологии ЭСЛ являются наиболее быстродействующими среди микросхем на базе биполярных транзисторов.Преимуществом ЭСЛ логики является:высокое быстродействие;низкое энергопотребление;большая нагрузочная способность;независимость тока потребления от частоты переключения.Недостатками ЭСЛ логики является:низкая помехоустойчивость;низкая степень интеграции.
Список использованных источников:
Агаханян, Т.М. Интегральные микросхемы / Т.М. Агаханян. - М.: «Энергоатомиздат», 2019. - С. 293-300.Будинский, И.В. Логические цепи в цифровой электронике / И.В. Будинский. - М.: Высшая школа, 2020 - 323 с.Левашов, Ю.А. Расчет электронных устройств: учебно-методическое пособие / Ю.А. Левашов. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2021 - 72 с.Соломатин, Н.М. Логические элементы ЭВМ / Н.М. Соломатин. - М.: Высшая школа, 2019. - 160 с.Ушаков, В.Н. Основы радиоэлектрники и радиотехнические устройства. Учеб. Пособие для радиотехнических вузов., / В.Н. Ушаков. - М.: Высшая школа, 2019. - С. 42-89.