Układy TTL i CMOS. Układy TTL

Transkrypt

1 Układy TTL i CMOS O liczbie elementów użytych do budowy jakiegoś urządzenia elektronicznego, a więc i o możliwości obniżenia jego ceny, decyduje dzisiaj liczba zastosowanych w nim układów scalonych. Najstarszą rodziną układów scalonych są układy TTL. Skrót ten pochodzi od angielskiej nazwy Transistor-Transistor-Logic i oznacza technologię, w której do budowy pojedynczego obwodu logicznego stosuje się wiele tranzystorów scalonych w jeden układ. Układy TTL Układy scalone z serii 74 są zasilane napięciem 5 V (4:5%). Logiczne zero (stan niski) leży w przedziale napięć O...0,8 V, a logiczna jedynka (stan wysoki) odpowiada napięciom z przedziału 2, V. Jeden układ scalony zawiera zazwyczaj więcej niż jedną bramkę albo pojedynczy, dość złożony obwód logiczny. Większość układów TTL ma czternaste- lub szesnastonóżkową obudowę typu DIL. Na rysunku 7 pokazano schemat układu połączeń jednej z czterech bramek NAND w układzie Istnieją też inne wersje tego układu; 74L00 (charaktery-zująca się zmniejszonym poborem prądu, lecz także i mniejszą szybkością przetaczania, rys. 8), 74S00 (z diodami Schottky'ego o dużej szybkości przełączania, rys. 9) oraz wersja 74LS00 (w której osiągnięto szybkość prawie taką jak w 74S00 i pobór prądu jak w 74L00). Obydwa wejścia połączone są z tranzystorem wieloemiterowym (rys. 10), stanowiącym kombinację omawianych wcześniej złącz diodowych.

2 Kolektor tego tranzystora może być w stanie wysokim tylko wówczas, gdy obydwa wejścia będą w tym stanie, czyli gdy żadna z końcówek dołączonych do dolnego końca rezystora bazowego nie jest zwarta do masy. Połączony z tranzystorem inwerter będzie wtedy wysterowany, tak aby dolny tranzystor wyjściowy (na schemacie) przewodził, a górny był zatkany, co oznacza stan niski na wyjściu. Istnieją też scalone układy TTL zawierające w obwodzie wyjściowym tylko jeden tranzystor z tzw. otwartym kolektorem (rys. 11). Możliwe jest wówczas przełączanie napięć wyjściowych wyższych niż 5 V (np. do 20 V w układzie 7406). Oczywiste jest, że dopóki takie wyjście nie jest nigdzie podłączone, to nie można zmierzyć na nim żadnego napięcia. Nigdzie nie podłączone wejścia układu TTL znajdują się w stanie l (w stanie wysokim), co wynika z zastosowania tranzystora wieloemiterowego. Można więc wykorzystać bramkę NAND jako inwerter, używając pojedynczego wejścia lub obydwu wejść połączonych ze sobą. W niezupełnie "cyfrowy" sposób (rozpatrując to od strony wejścia) pracuje tzw. przerzutnik Schmitta: przekształca on zmieniający się monotonicznie sygnał wejściowy na "czysto" cyfrowy sygnał wyjściowy (rys. 12). Uniwibratory (zwane też przerzutnikami monostabilnymi) są wykorzystywane do formowania impulsów o czasie trwania określonym przez odpowiednio dobrane wartości rezystancji i pojemności. Dla takiego obwodu obowiązuje zależność: T=R*C gdzie: T - czas trwania wytwarzanego impulsu [s], R - rezystancja [ohm], C - pojemność [F]. Przykładowo, dla C = 1 uf i R = 1 M otrzymujemy T = 1 s. Uniwibratory, w których impuls wejściowy przychodzący w czasie trwania impulsu wyjściowego wydłuża

3 go odpowiednio, nazywane są uniwibratorami z podtrzymaniem (rys. 13). Układy CMOS Układy wykonane w technologii TTL są mało przydatne do budowy urządzeń zasilanych z baterii, gdyż już jedna bramka pobiera prąd o natężeniu kilku miliamperów, a w przypadku np. dekodera adresów w komputerze bramek takich jest dość dużo. Wynika stąd również, że nawet w urządzeniach wyposażonych w zasilacz sieciowy pojawi się problem odprowadzania dużych ilości ciepła wytwa-rzanego przez prąd płynący w układach TTL. W technologii CMOS stosuje się dwa komplementarne tranzystory polowe MOS (rys. 14). Jak już wspomniano wcześniej, elektroda sterująca (bramka) jest całkowicie odizolowana od kanału dren-źródło i nie pobiera żadnego prądu. Aby przez kanał również nie płynął prąd, łączy się po prostu szeregowo tranzystor z kanałem typu p z tranzystorem z kanałem typu n. W takim obwodzie tylko jeden z tranzystorów może być w stanie przewodzenia. Na rysunku 15 pokazano schemat zbudowanego właśnie w ten sposób inwertera. Jeżeli na wejściu E pojawi się stan wysoki, to będzie przewodził dolny tranzystor (z kanałem typu n), górny zaś (z kanałem typu p) będzie zablokowany. Wyjście Q przejdzie więc w stan niski. Sytuacja odwróci się, jeśli na wejściu E pojawi się stan wysoki: wówczas będzie przewodził tranzystor górny, co prowadzi do pojawienia się stanu wysokiego na wyjściu.

4 Prąd w takim obwodzie płynie tylko podczas przełączania (rys. 16) i to tylko wtedy, gdy w pewnym zakresie napięć wejściowych obydwa tranzystory MOSFET przewodzą (wartości tych napięć zależą od domieszkowania półprzewodnika i od napięcia zasilania) lub gdy są ładowane różne pojemności wewnętrzne i zewnętrzne. Ładowanie pojemności wewnątrz układu scalonego i w obwodzie zewnętrznym prowadzi do tego, że pobór prądu przez bramki CMOS jest, w dobrym przybliżeniu, wprost proporcjonalny do częstotliwości przełączeń (rys. 17). Oczywiste jest też, że częstotliwość 1 MHz odpowiada dwom milionom przełączeń na sekundę (w obydwu kierunkach). Na rysunku 18 pokazano porównanie poboru prądu w funkcji częstotliwości pracy dla bramek wykonanych za pomocą różnych technologii: CMOS, TTL i TTL-LS. Pobór prądu przez układy TTL i TTL-LS nie zależy praktycznie od częstotliwości. Wynika też stąd, że powyżej pewnej wartości częstotliwości (wyróżnionej przez punkt przecięcia się wykresów), układy CMOS pobierają w rzeczywistości większy prąd niż układy TTL! Zjawisko to zachodzi jednak przy tak dużych częstotliwościach przełączania, że w komputerach nie mamy z nim praktycznie do czynienia. Układy CMOS mają też dodatkową zaletę: poziom przełączania jest w nich równy w przybliżeniu połowie wartości napięcia zasilania, a więc impulsy zakłócające muszą tę wartość przekroczyć, aby mogły wpływać na pracę układu. Inaczej jest w układach TTL: poziom

5 przełączania wynosi tu ok. 0,6 V (przy napięciu zasilania równym 5 V). Oprócz tego napięcie zasilające układy TTL musi zawierać się w przedziale od 4,75 do 5,25 V, a układy CMOS pracują przy napięciach V. Jako wadę logicznych układów CMOS należy podkreślić małą obciążalność ich układu wyjściowego (do kilku miliamperów), co może stać się czynnikiem krytycznym już przy podłączeniu diody elektroluminescencyjnej. W przeciwieństwie do tego układy TTL dostarczają prąd o natężeniu ma. Naturalnie, powstaje tu pytanie, czy można łączyć układy CMOS i układy TTL ze sobą? Oczywiście, można, lecz należy wówczas przestrzegać kilku następujących zasad: Układy CMOS muszą być zasilane napięciem 5 V, tak jak układy TTL. Jedno wyjście układu CMOS może sterować jednym wejściem układu TTL. Do sprzężenia wejścia CMOS z wyjściem TTL najkorzystniej jest stosować układy TTL z otwartym kolektorem (rys. 18). Na rysunku 19 pokazano wewnętrzną budowę bramki NAND wykonanej w technologii CMOS, Jeśli np. obydwa wejścia znajdą się w stanie wysokim, to będą przewodzić dwa dolne tranzystory z kanałem typu n, a obydwa górne, połączone równolegle tranzystory z kanałem typu p, będą zablokowane i dlatego wyjście przejdzie w stan niski. Liniowa zależność rezystancji kanału od napięcia dren-źródło w tranzystorach FET umożliwia zbudowanie przełączników elektronicznych CMOS, które mogą przełączać bez zniekształceń również sygnały analogowe. Na rysunku 20 przedstawiono schemat takiego przełącznika analogowego. Jego rezystancja w stanie wyłączenia jest bardzo duża (rzędu MOhm), natomiast rezystancja wewnętrzna w stanie włączenia zawiera się na ogól w przedziale Ohm.

6 Literatura: