РОБОТА ЕЛЕМЕНТА ЕМІТЕРНО-З’ВЯЗАНОЇ ЛОГІКИ

2.   РОБОТА ЕЛЕМЕНТА ЕМІТЕРНО-З’ВЯЗАНОЇ ЛОГІКИ

Найбільш швидкодіючими логічними ІМС у даний час є елементи емітерно-зв’язаної логіки (ЕЗЛ) і особливо елементи емітерно-зв’язаної логіки з емітерними повторювачами на вході (ЕЕЗЛ). Ці елементи працюють у режимі переключення струму, і в них висока швидкодія забезпечується, насамперед, за рахунок запобігання насичення транзисторів шляхом введення глибокого зворотного зв’язку по струму за допомогою резистора в колі емітера. Цей зворотний зв’язок одночасно сприяє скороченню тривалості перехідних процесів у базі транзисторів. Немаловажну роль грають обмеження меж зміни перепадів напруги і використання емітерних повторювачів для введення і знімання інформації.

Найбільш простим елементом на перемикачах струму є елемент ЕЗЛ, схема якого показана на рис. 1. Особливості елементів з об’єднаними емітерами зручно пояснити на прикладі цього елемента.

Рис. 12. Мікросхема ЕЗЛ

Основу розглянутої групи ІМС складає перемикач струму, що являє собою ключовий елемент на транзисторах з об’єднаними емітерами, (на рис. 1 транзистори T₁ — Тз і Т). У емітерне коло транзисторів задається струм I₀ постійного значення. Сталість струму I₀ підтримується або шляхом включення в коло эмиттеров порівняно високоомічного резистора R (рис. 12), або шляхом використання транзисторного джерела струму. Значення струму I₀ вибирають так, щоб у нормальному режимі роботи елемента виключалося насичення транзисторів, що утворюють перемикач струму.

Керування перемикачем струму здійснюється шляхом подачі сигналів на бази транзисторів T₁ — Т₃. На базу транзистора T подається фіксований опорний потенціал U_оп, значення якого вибирають так, щоб транзистор Т був здатний пропускати повністю струм I₀ при встановленні на базах вхідних транзисторів низького потенціалу, відповідаючого логічному 0. При подачі високого потенціалу, що відповідає логічній 1, на базу хоча б одного з вхідних транзисторів струм I₀ перемикається в емітерне коло відповідного вхідного транзистора. При цьому транзистор Т с фіксованим зсувом замикається. При перемиканні елемента відбувається зміна вихідних потенціалів: потенціал колекторів вхідних транзисторів знижується на, а потенціал колектора транзистора Т, підвищуючи на , досягає рівня напруги джерела живлення Е_г.

У колі послідовно включених перемикачів струму колекторні потенціали не можна безпосередньо використовувати як вхідні напруги для керування наступними ІМС, тому що вони перевищують рівні відповідних потенціалів на входах. Для нормальної роботи ІМС необхідно зробити зрушення рівня колекторних потенціалів. Для цієї мети найбільше часто використовують емітерні повторювачі, що підключаються до колекторів вхідних транзисторів і транзистора з фіксованим зсувом (рис. 1 повторювачі на транзисторах Т₄ і Т₅). При цьому зрушення рівня дорівнює перепаду напруги між базою і емітером U_бэ.сд транзистора. Цим перепадом напруги лімітується розмах логічного сигналу .

Дійсно, на базу вхідного транзистора в провідному стані подається вхідна напруга , яке відповідає логічній 1, що призводить до відмикання цього транзистора і зниженню потенціалу колекторів вхідних транзисторів. При цьому, щоб відкритий транзистор не насичувався, Необхідно забезпечити виконання умови

, що можливо тільки в тому випадку, якщо перепад напруги на колекторі не перевищує напруга зрушення, створена повторювачем, тобто при

(1)

Порушення цієї умови приводить до насичення транзистора, тому що потенціал його колектора виявляється нижче потенціалу бази. Отже, збільшення розмаху логічного сигналу, який визначається перепадом напруги в колекторному колі вхідних транзисторів, припустимо тільки при відповідному збільшенні зсуву рівня U_бэ.сд. Цього можна досягти, наприклад, шляхом вмикання додаткового діода, що зміщає, у емітерні кола транзисторів Т₄ і Т₅ . Емітерні повторювачі (без зсувних діодів) забезпечують зсув рівня, що складає 0,8 - 0,9 В. Розмах логічного сигналу, дорівнює цьому значенню, виявляється достатнім для більшості цифрових автоматів, побудованих на елементах ЕЗЛ. При цьому, щоб одержати однаковий розмах логічного сигналу на що інвертуючому і неінвертуючому виходах елемента значення опорів резисторів R_Kl =R_K2 вибираються рівними один одному: R_Kl =R_K2 = R_K.

Включення повторювачів призводить також до зменшення вихідного опору елемента, що сприяє підвищенню його навантажувальної здатності і швидкодії. Таким чином, перемикач струму, доповнений емітерними повторювачами, стає логічним елементом, що реалізує операції АБО-НІ і АБО. Сигнал, що відповідають операції АБО-НІ, знімається з виходу повторювача, підключеного до інвертуючої половини елемента (тобто до колекторів вхідних транзисторів), а сигнал, що відповідає операції АБО, — з виходу повторювача, зв’язаного з транзистором Т (рис. 12).

Елементи на перемикачах струму виготовляються у вигляді напівпровідникових чи сполучених ІМС. Так як в цих ІМС транзистори працюють без насичення, то шляхом підключення підкладки та ізолюючих шарів к точкам відповідно з найменшим і найбільшим потенціалами можна замкнути паразитні транзистори, вимкнувши тим самим їх активну дію. Тому в ІМС на перемикачах струму виявляється тільки ємнісний вплив підкладки.

На рис. 13 показана перемикальна характеристика мікросхеми ЕЗЛ для двох її виходів: інвертуючого (U_вых1) та неінвертуючого (U_вых2).

рис . 13. Перемикальні характеристики мікросхеми ЕЗЛ.

 При вхідних напругах, менших потенціалу відмикання, вхідні транзистори залишаються замкненими і на інвертуючому встановлюється високий потенціал

(2)

відповідний логічній 1 (l_эс.—.число вхідних транзисторів). При цьому струм I₀ цілком відбирається транзистором Т з фіксованим зсувом і на неінвертуючому виході установлюється низький потенціал

(3) відповідний логічному 0. Розмах логічного сигналу

(4)

Коли напруга U_ВХ досягає потенціалу відмикання, вхідні транзистори починають проводити, і струм I₀ частково відгалужується в емітери провідних транзисторів. Якщо одночасно проводять l_пр вхідних транзисторів (із загального числа l_эс), то потенціал колектора цих транзисторів зменшується і відповідно знижується напруга на інвертуючому виході до рівня

(5)

Через перерозподіл струму I₀ змінюється і напруга на неінвертуючому виході

(6)

Струми емітерів І_э1 і І_э відповідно для вхідних транзисторів і транзистора Т визначаються співвідношеннями

(7)

де U₀ = I_oR — потенціал об’єднаних емітерів відносно загальної шини живлення.

При відмиканні вхідних транзисторів трохи змінюється струм I₀ і відповідно потенціал об’єднаних емітерів U₀. Зміна струму I₀ настільки незначна, що їм можна не враховувати. Не так істотно змінюється і потенціал U₀ (у порівнянні зі своїм середнім значенням). Однак ця незначна зміна U₀ порівнянна з напругою на емітерних переходах транзисторів. Саме вона призводить до зміни струму емітера І_э транзистора з фіксованим зсувом, тому .для правильного розрахунку перемикальної характеристики  необхідно враховувати зміну U₀ зі зміною вхідної напруги U_вх. Залежність U₀ про від U_вх можна визначити із рівняння І₀ = І_прІ_э1+ І_э, представивши його в наступному виді:

Визначивши із цього рівняння

можна виразити залежність вихідних напруг від вхідної напруги наступними співвідношеннями:

(8)

При зміні вхідної напруги трохи міняється і різниця потенціалів U_бэ.сд на емітерному переході транзисторів у схемах повторювачів. Тому що в робочому діапазоні відхилення U_бэ.сд від свого середнього значення незначні, то при практичних розрахунках ними можна зневажати, прийнявши

(9)

Це значення U_бэ.сд відповідає середньому значенню струму емітера транзистора в схемі повторювача, який визначається зі співвідношення

(10)

де

Тому що  та  визначаються через U_бэ.сд , то при первісних розрахунках зручно замість формули (9) скористатися співвідношенням ,

(11)

заснованим на рівності U_оп =0,5(+ ), до виконання якого звичайно прагнуть, щоб забезпечити симетрію елемента по граничних напругах.

Коли транзистор Т перестає проводити, струм І₀ цілком відбирається провідними вхідними транзисторами. Після цього зі збільшенням вхідної напруги спостерігається зменшення напруги на інвертуючому виході U_вых1 Тому що після повного переключення струму І₀ провідні вхідні транзистори працюють із глибоким негативним зворотним зв'язком по струму, що протікає через резистор R, то зменшення U_вых1 незначне. При напрузі U_вх.нас транзистори насичуються, їхній базовий струм відгалужується в колекторний ланцюг, зменшуючи перепад напруги на R_K1, тому U_вых1 зростає (рис. 13). Насичення вхідних транзисторів порушує нормальний режим роботи ІМС, тому шляхом відповідного підбора параметрів схеми і напруг джерел живлення такий режим роботи вимикається.

Як видно з графіків на рис. 13, перемикальні характеристики U_вых1 і U_вых2 перетинаються в точці 3, координати якої можна визначити з рівняння U_вых1= U_вых2  На підставі цього рівняння можна показати, що перемикальні характеристики перетинаються при вхідній напрузі:

При цьому

тобто в точці перетину

(12)

Якщо опорна напруга обрана рівним середньому значенню , тобто

(13)

те робочі точки 1 і 2 розташовуються симетрично щодо середньої точки 3 для l_пр = 1 (рис. 13).

Тому що в мікросхемі ЕЗЛ транзистори працюють в активній області у всьому робочому діапазоні зміни вхідної напруги, те перешкодостійкість обмежується напругою, при якій коефіцієнт підсилення логічного елемента по відповідним виходах зростає до 1. На підставі (8) можна показати, що коефіцієнт підсилення по інвертуючому виходу стає рівним мінус одиниці  при вхідній напрузі

(14)

а по неинвертирующему виході-одиниці 1), коли вхідна напруга досягає

(15)

Коефіцієент К визначається виразом

(16)

Перешкодостійкість ІМС, яка визначається як різниця вхідних напруг у робочих струмах і при одиничному коефіцієнті підсилення, розраховується за формулами

які виходять на підставі формул, виведених вище. Помітимо, що при l_пр=1 перешкодостійкість для логічної 1 і логічного 0 по входу виявляється однаковою. Зі збільшенням числа провідних транзисторів l_пр симетрія ІМС по перешкодостійкості порушується; перешкодостійкість для логічної 1 стає більше перешкодостійкою для логічного 0.

При визначенні навантажувальної здатності і коефіцієнта об'єднання по входу в ИМС на перемикачах струму припустимі значення перешкодостійкості не є визначальними, як це має місце для інших типів логічних елементів. Для розглянутої групи ИМС зазначені параметри визначаються припустимим збільшенням тривалості перехідних процесів, тому що ІМС на перемикачах струму є швидкодіючими і саме цей параметр для них є визначальним.

Підвищення швидкодії елемента ЕЗЛ досягається шляхом помітного збільшення споживаної потужності. Середнє значення цієї потужності можна розрахувати по формулі

(17)

у який перший доданок  — це потужність, споживана перемикачем струму, а другий доданок  - середня потужність, споживана емітерними повторювачами. Виразивши на підставі (13) напругу Е_к через U_оп, U_лог та U_бэ.сд , одержимо:

(18)

Подальше удосконалення логічних елементів на перемикачах струму призвело до розробки ІМС емітерно-зв’язаної логіки з емітерними повторювачами на вході (скорочено ЕЕЗЛ елементи). У мікросхемі елемента ЕЗЛ (рис. 12) емітерні повторювачі вмикаються до виходів елемента для знімання інформації. При цьому перемикач струму складається з вхідних транзисторів, що використовуються для введення інформації і транзистора з опорною напругою. До виходу кожного повторювача підключають транзистори, кожний з який є вхідним елементом наступних перемикачів струму.