ТТЛ и КМОП

ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и КМОП (комплементарные МОП-структуры) представляют собой в настоящее время два наиболее распространенных семейства логических элементов. Огромное количество ИМС обоих семейств, выполняющих самые разнообразные функции, выпускаются по меньшей мере десятью фирмами. С помощью этих семейств можно удовлетворить все потребности, которые возникают при построении цифровых схем и устройств. Исключение может составить область схем большой степени интеграции (БИС), в которой преобладают МОП-структуры и сверхбыстродействующая логика, в которой господствуют приборы из арсенида галлия и эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). В дальнейшем в основном будут рассматриваться эти семейства.

8.08. Каталог идентичных вентилей

В табл. 8.2 приведены идентичные вентили, которые существуют в семействах логических элементов ТТЛ и КМОП. Каждый вентиль изображается в своей нормальной форме (для положительной логики), и кроме того, показано, как он выглядит при использовании отрицательной логики. В последней строке приведен вентиль И-ИЛИ-НЕ.

Небольшие пояснения: цифровая логика представлена в 10 популярных «субсемействах» (КМОП: 4000В, 74С, 74НС, 74НСТ, 74АС, 74АСТ; И ТТЛ: 74LS, 74ALS, 74AS, 74F), каждое из которых выполняет одни и те же функции и имеют хорошую совместимость между собой.

Различаются они по быстродействию, рассеиваемой мощности, нагрузочной способности и логическим уровням (см. разд. 8.09 и 9.02). Наилучшим для большинства применений является семейство «высокоскоростная КМОП-логика», обозначаемая буквами НС после цифр 74, например 74НСОО. Там, где требуется совместимость с существующими биполярными ТЛ-схемами, вы должны использовать НСТ (или, возможно, LS) — ceмейство. Для простоты мы в дальнейшем в книге будем опускать буквы (и префикс 74-), обозначая типы цифровых ИМС с апострофом (`), например `00 для обозначения 2-входового вентиля И-НЕ. Отметим, что стандартные элементы ТТЛ (без этих букв) в настоящее время почти полностью вышли из употребления. Мы опишем интересную историю этих семейств в разд. 9.01.

8.09. Принципиальные схемы вентилей на ИМС

В обоих семействах (ТТЛ и КМОП) идентичные вентили, например И, выполняют одинаковые операции, тем не менее их логические уровни, а также другие характеристики (быстродействие, входной ток и т. д.) совершенно различны. В общем случае нельзя смешивать два типа логических семейств. Для того чтобы понять различия между ними, рассмотрим принципиальные схемы вентилей И, которые представлены на рис. 8.17.

Рис. 8.17. Маломощный ТТЛШ-вентиль И-НЕ (а); КМОП-вентиль И (б).

КМОП-вентиль построен на полевых МОП-транзисторах обоих полярностей, которые работают в режиме усиления и соединены как ключи, а не как повторители. Открытый полевой транзистор подобен низкоомному резистору, подключенному к шине питания. Для того чтобы открыть последовательно включенную пару транзисторов Т₃, Т₄ и закрыть нагрузочные транзисторы Т₁ и Т₂, на оба входа надо подать ВЫСОКИЙ уровень. Это приведет к тому, что на выходе будет вырабатываться НИЗКИЙ уровень, т. е. получается вентиль И-НЕ. Транзисторы Т₅ и Т₆ образуют простой КМОП-инвертор, благодаря которому мы получаем вентиль И. Этот пример показывает как строятся вентили И, И-НЕ, ИЛИ и ИЛИ-НЕ на любое число входов.

_{Упражнение 8.10. Начертите схему 3-входового ΚΜΟΠ-вентиля ИЛИ.}

Биполярный LS (маломощная Шоттки технология) ТТЛ-вентиль И-НЕ, в основном содержит диодно-резисторную логику (рис. 8.8), управляющую транзисторным инвертором, нагруженным на двухтактный выход. Если на обоих входах ВЫСОКИЙ уровень, то через резистор 20 кОМ протекает базовый ток, открывающий транзистор Т₁, что приводит к появлению на выходе НИЗКОГО уровня из-за насыщения Т₄ и выключения Дарлингтоновской пары Т₂-Т₃. Если затем на один из входов подать НИЗКИЙ уровень, то транзистор Т₁ выключится, а на выходе будет ВЫСОКИЙ уровень. Диоды и транзисторы с переходами Шоттки используются для повышения скорости переключения.

Заметим, что и ТТЛ-, и КМОП-вентили обеспечивают «активный выход» с питанием нагрузки от шины положительного источника. Рассмотренные выше дискретные вентили этой способностью не обладают.

8.10. Характеристики ТТЛ и КМОП

Давайте сравним характеристики двух семейств:

Напряжение питания: +5 В ±5 % для ТТЛ, в то время как семейства КМОП имеют более широкий диапазон: от +2 до +6 В для НС и АС, от +3 до 4-15 В для серий 4000В и 74С. Семейства НСТ и ACT, разработанные для совместимости с биполярными ТТЛ, требуют напряжения питания +5 В.

Вход. Вход вентиля ТТЛ в состоянии НИЗКОГО уровня представляет собой токовую нагрузку для управляющего им источника сигнала (типовое значение 0,25 мА для серии LS), следовательно, для поддержания на входе НИЗКОГО уровня необходимо обеспечить отвод тока. Поскольку выходные каскады схем ТТЛ обладают хорошей нагрузочной способностью, сопряжение между собой элементов ТТЛ не представляет проблемы, но она может возникнуть, когда требуется подключить входы ТТЛ к схемам другого типа. Наоборот, вентиль КМОП не имеет входного тока.

Логический порог ТТЛ определяется падением напряжения на двух диодах по отношению к земле (порядка 1,3 В), в то время как для элементов КМОП значение входного порога равно приблизительно половине напряжения питания, но может колебаться в широких пределах (типично от 1/3 до 2/3 напряжения питания). КМОП-семейства НСТ и ACT спроектированы с низким порогом срабатывания для совместимости с ТТЛ, поскольку биполярные ТТЛ не допускают отклонения в питании +5 В (см. ниже).

Входы КМОП элементов чувствительны к статическому электричеству и могут выходить из строя при манипуляциях с ними.

В обоих семействах на неиспользуемые входы в зависимости от ситуации следует подавать ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ уровни (далее об этом будет сказано).

Выход. Выходной каскад вентиля ТТЛ в состоянии НИЗКОГО уровня ведет себя как насыщенный транзистор, напряжение на котором близко к потенциалу земли, а в состоянии ВЫСОКОГО уровня — как повторитель с высоким выходным напряжением, равным примерно напряжению питания U₊ минус падение напряжения на двух диодах. Для всех КМОП-семейств (включая НСТ и ACT) выход представляет собой открытый полевой транзистор, подключенный к земле или к шине питания. Обычно быстродействующие семейства (F, AS, AC, ACT) имеют более высокую нагрузочную способность, чем медленные (LS, 4000В, 74С, НС, НСТ).

Быстродействие и мощность. Биполярные ТТЛ-семейства потребляют значительный ток покоя — тем больший, чем быстрее семейства (AS и F) при соответствующих скоростях от 25 МГц (для LS) до 100 МГц (для AS и F). Все КМОП-семейства потребляют нулевой ток. Однако их рассеиваемая мощность линейно возрастает с ростом частоты (требуется ток для переключения емкостной нагрузки), и КМОП-элементы, работающие на наивысшей частоте, рассеивают часто такую же мощность, как эквиваленты ТТЛ (рис. 8.18). Диапазон быстродействия КМОП-элементов простирается от 2 МГц (для 4000В/74С при 5 В) до 100 МГц (для АСТ/АС).

Рис. 8.18. Зависимость мощности рассеивания от частоты.

В основном замечательные характеристики КМОП-семейств (ничтожная потребляемая мощность, хорошая помехозащищенность) делают эту логику привлекательной, и мы рекомендуем семейство НС для большинства новых проектов. Однако при увеличении быстродействия используйте семейство АС; для широкого диапазона питания, где не нужна высокая скорость, используйте 74С или 4000В, используйте НСТ (или даже LS) для совместимости с биполярными ТТЛ-выходами, если вам не нужно быстродействие ACT (или AS, или F). В некоторых применениях с высокой плотностью размещения (память, микропроцессоры), КМОП-устройства предпочтительней, ввиду их относительно высокой мощности рассеяния. А для сверхвысокоскоростных применений (выше 100 МГц) вы вынуждены использовать ЭСЛ-элементы, которые работают до частот 500 МГц, или использовать приборы из арсенида галлия, которые функционируют до 4 ГГц. Смотрите разд. 14.15 и табл. 9.1 для полного обсуждения логических КМОП.

В пределах одного логического семейства выходы элементов легко стыкуются с входами и обычно не стоит беспокоиться о пороговых уровнях, входном токе и т. п. Например, выходы элементов семейств ТТЛ или КМОП могут работать не менее чем на 10 входов (характеристика носит название коэффициента разветвления по выходу: для ТТЛ коэффициент разветвления по выходу равен 10), таким образом, для обеспечения совместимости не требуется применение специальных мер. В следующей главе будут рассмотрены вопросы сопряжения между различными логическими семействами, а также между логическими схемами и внешними устройствами.

8.11. Элементы с тремя состояниями и с открытым коллектором

Вентили ТТЛ и КМОП, которые мы сейчас рассматриваем, имеют двухтактные выходные схемы: высокий или низкий уровень подается на выход через открытый биполярный или МОП-транзистор. Такую схему, называемую активной нагрузкой, а в ТТЛ называемую также столбовым выходом, используют почти все логические элементы. Схема обеспечивает низкое выходное сопротивление в обоих состояниях, имеет малое время переключения и обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с одиночным транзистором, который использует пассивный резистор в качестве коллекторной нагрузки. В случае КМОП применение активного выхода, кроме всего прочего, позволяет понизить рассеиваемую мощность.

Но существуют ситуации, при которых активный выход оказывается неудобным. Представим себе компьютерную систему, в которой несколько функциональных блоков должны обмениваться данными. Центральный процессор (ЦП), память и различные периферийные устройства должны иметь возможность передавать и получать 16-разрядные слова. И, мягко говоря, было бы неудобно использовать для соединения каждого устройства с каждым индивидуальный 16-жильный кабель. Для разрешения этой проблемы используется так называемая шина (или магистраль) данных, т. е. один 16-жильный кабель, доступный для всех устройств. Такая структура аналогична телефонному каналу коллективного пользования: в каждый момент времени «говорить» («передавать данные») может только одно устройство, а остальные могут только «слушать» («принимать данные»).

Если используется шинная система, то необходимо иметь соглашение о том, кому разрешено «говорить». В связи с этим употребляются такие термины, как «арбитр шины», «задатчик шины» и «управление шиной».

Для возбуждения шины нельзя использовать вентили (или другие схемы) с активным выходом, так как их нельзя отключить от общих информационных линий (в любой момент времени выходы устройств, подключенные к шине, будут находиться в состоянии высокого или низкого уровня). В этом случае необходим вентиль, выход которого может находиться в «обрыве», т. е. быть отключенным. Такие устройства выпускаются промышленностью и имеют две разновидности, которые носят названия «элементы с тремя состояниями» и «элементы с открытым коллектором».

Логические схемы с тремя состояниями. Логические элементы с тремя состояниями, также называемые TRI-STATE (товарный знак National Semiconductors Corp., создавшей их) представляют элегантное решение. Название этих схем может ввести в заблуждение, поскольку на самом деле они не являются логическими элементами с тремя уровнями напряжений. Это обычные логические схемы, которые имеют третье состояние выхода — «обрыв» (рис. 8.19).

Рис. 8.19. ΚΜΟΠ-вентиль И-НЕ с 3-м состоянием: а — поясняющая схема; б — реализация с использованием внутренних КМОП-вентилей.

Они имеют отдельный вход разрешения, с помощью которого могут устанавливаться либо в состояние обычных активных выходов, либо переходить в «третье» (обрыва) состояние независимо от того, какие сигналы присутствуют на других входах. Выходы с тремя состояниями имеются во многих ИМС: счетчиках, защелках, регистрах и т. п., а также в вентилях и инверторах.

Устройство с выходом на 3 состояния функционирует подобно обычной логике с активным выходом, когда подан сигнал разрешения, при этом на выходе существует либо высокий, либо низкий уровень. Когда на входе разрешения пассивный уровень, схема отключает свой выход, так что другие устройства могут работать на ту же самую линию. Давайте рассмотрим это на примере.

Взгляд вперед: шины данных. Драйверы с тремя состояниями широко используются для возбуждения шины данных компьютера. Каждое устройство (память, периферия и т. п.), которому необходимо выставить данные на шину, связывается с ней через вентили с тремя состояниями (или через более сложные элементы, такие, как регистры). Дела так умно устраиваются, что только одно устройство выдает разрешение своим драйверам (формирователям), все другие устройства, получив запрет, переходят в третье состояние. Обычно выбранное устройство «узнает» о том, что оно должно выдавать данные на шину, опознав свой адрес на адресных и управляющих шинах (рис. 8.20).

Рис. 8.20. Шина данных.

В этом наипростейшем случае устройство подключается как порт 6. Получив свой адрес (например, 6) и импульс чтения, устройство выводит данные на шину D₀-D₃. Такой шинный протокол используется для многих простых систем. Нечто подобное имеет место в большинстве микрокомпьютеров, как мы увидим в гл. 10 и 11.

Заметим, что должна быть некоторая внешняя логика, которая обеспечивала надежность того, что устройства с тремя состояниями, подключенные к одним и тем же выходным линиям, не будут пытаться передавать в одно и то же время (что равносильно условию, официально называемому «соглашение шины»). В этом случае все хорошо, когда каждому устройству соответствует свой адрес.

Логика с открытым коллектором. Предшественником логики с 3 состояниями была логика с открытым коллектором, которая позволяет вам подключиться к одиночной линии среди других выходов нескольких формирователей. Выход с открытым коллектором просто не включает транзистор активной нагрузки в выходном каскаде (рис. 8.21).

Рис. 8.21. Маломощный ТТЛШ-вентиль И-НЕ с открытым коллектором.

Название «открытый коллектор» превосходно. Когда вы используете такие вентили, вы должны подключать к источнику питания внешний нагрузочный резистор. Его значение не критично: при малых значениях резистора обеспечиваются повышенные быстродействие и помехоустойчивость, однако повышается рассеиваемая мощность и нагрузочный ток выходного каскада. Для ТТЛ типичными являются значения в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч ом. Если вы захотели возбуждать шину с помощью вентилей с открытым коллектором (рис. 8.20), вы должны заменить драйверы с тремя состояниями на двухвходовые вентили И-НЕ с открытым коллектором, подключив один выход каждого вентиля к высокому уровню разрешения подключения к шине. Заметим, что данные на шине при этом включении будут инвертированы. Каждую линию шины необходимо через нагрузочный резистор подключить к +5 В. К недостаткам логики с открытым коллектором следует отнести пониженные быстродействие и помехоустойчивость по сравнению с обычными схемами, использующими активную нагрузку. Вот почему драйверы с тремя состояниями являются основными для реализации шин в компьютерах. Однако существуют три ситуации, в которых вы должны использовать устройство с открытым коллектором: управление внешними нагрузками, «проводное ИЛИ» и внешние шины. Давайте рассмотрим их внимательно.

Управление внешней нагрузкой. Логика с открытым коллектором является пригодной для управления внешней нагрузкой, которая подключается к источнику положительного напряжения, превышающего напряжение питания ИМС. Может, в частности, потребоваться включить маломощную 12-вольтовую лампочку или сформировать логический перепад 15 В с помощью резистора, установленного между выходом вентиля и источником +15 В (рис. 8.22).

Рис. 8.22.

Например, схема `06 представляет собой шесть инверторов с максимальным выходом +30 В, а схема КМОП 40107 представляет собой сдвоенный И-НЕ-буфер с открытым коллектором с выходным током до 120 мА. Серия 75450 «сдвоенных периферийных драйверов» может выдавать в нагрузку ток до 300 мА при напряжении питания +30 В, а серия UHP/UDN фирмы Sprague расширяет эти пределы до 1 А и до 80 В. Более подробно об этом в следующей главе.

Проводное ИЛИ. Если вы объедините вместе несколько вентилей с открытым коллектором, как показано на рис. 8.23, то получите так называемую схему «про- водное ИЛИ», соединение, которое ведет себя подобно большому вентилю И-НЕ, выдающему на выходе низкий уровень, если какой-либо вход имеет высокий уровень.

Рис. 8.23. Монтажное ИЛИ.

Такое объединение недопустимо при использовании схем с активной нагрузкой из-за возникновения режима соперничества, если между всеми вентилями не будет согласовано, каким должен быть выходной сигнал. Объединять можно схемы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п. Это соединение также иногда называют «проводное И», поскольку высокий уровень на выходе возникает лишь тогда, когда он действует на выходе каждого вентиля (состояние разомкнутого, или открытого выхода. Оба этих названия описывают одну и ту же схему, которая представляет собой проводное И при положительной логике и проводное ИЛИ-при отрицательной. Это будет более понятно для вас, когда вы узнаете о теореме Моргана в следующем разделе.

Проводное ИЛИ пользовалось скоротечной популярностью в ранние дни цифровой электроники, но и сегодня оно используется довольно редко за двумя исключениями: а) в логических семействах, известных как ЭСЛ (эмиттерсвязанная логика, выходы у которой можно назвать «открытый эмиттер»), элементы могут безболезненно объединяться по проводному ИЛИ и б) существуют несколько частных линий в компьютерных шинах (наиболее значительная линия называется прерывание), функциями которых являются не передача информационных бит, а просто индикация того, что хотя бы одно устройство требует внимания. В этом случае вы используете проводное ИЛИ, поскольку оно дает то, что вы хотите, и не требуется дополнительной внешней логики для предотвращения споров.

Внешние шины. В приложениях, где скорость не очень важна, вы иногда видите драйверы с открытым коллектором, используемые для возбуждения шин. Наиболее частый случай для шин — это выдача данных из компьютеров. Общими примерами являются шины, используемые для связи компьютера с дисководом, и инструментальная шина IEEE-488 (также называемая "HPIB" или "GPIB"). Подробнее об этом в гл. 10 и 11.