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3. A estrutura básica da porta TTL NAND
3. A estrutura básica da porta CMOS NAND
Um, ttl
1. Introdução
TTL - Lógica Transistor-Transistor
Os circuitos TTL usam transistores bipolares como elementos de comutação, por isso também são chamados de circuitos integrados bipolares. Os circuitos integrados digitais bipolares são dispositivos que usam elétrons e lacunas com duas polaridades diferentes para a condução elétrica.
Tem as vantagens de alta velocidade (velocidade de comutação rápida) e forte capacidade de direção, mas seu consumo de energia é relativamente grande e o nível de integração é relativamente baixo.
De acordo com os diferentes campos de aplicação, ele é dividido em séries 54 e 74. O primeiro é produtos militares, e o segundo é usado principalmente em equipamentos industriais em geral e eletrônicos de consumo. A série 74 de circuitos integrados digitais são circuitos internacionais padrão. Suas variedades são divididas em seis categorias: 74 & TImes; & TImes; (padrão), 74S & TImes; & TImes; (Schottky), 74LS × concepts (Schottky de baixa potência), 74AS × Budap (Schottky avançado), 74ALS × × (Schottky avançado de baixa potência ), 74F × × (alta velocidade), suas funções lógicas são exatamente as mesmas.
estrutura
2. Nível padrão
Saída L: <0,8 V; H:> 2,4 V.
Entrada L: <1,2 V; H:> 2,0 V
O nível baixo de saída do dispositivo TTL deve ser menor que 0,8 V, o nível alto deve ser maior que 2,4 V. A entrada inferior a 1,2 V é considerada 0, e superior a 2,0 é considerada 1.
3. A estrutura básica da porta TTL NAND
A Figura 1 mostra a estrutura do circuito de uma porta TTL NAND. Pode-se observar que a estrutura básica do circuito da porta TTL NAND é composta por três partes: estágio de entrada, estágio intermediário e estágio de saída. Como as extremidades de entrada e saída do circuito são estruturas triodo , o circuito dessa estrutura é denominado triodo --- circuito lógico triodo.
Estágio de entrada: O estágio de entrada é uma estrutura de circuito de porta AND. T1 é um transistor multiemissor, e sua junção de coletor pode ser considerada um diodo, e a junção de emissor (três junções de emissor) pode ser considerada como três diodos consecutivos com o anterior, como mostrado na Figura 2. Pode-se ver a partir disso que o estágio de entrada é um circuito de porta AND: Y = A · B · C.
Estágio intermediário: consiste no transistor T2 e nos resistores RC1 e RE2. Durante a ativação do circuito, o efeito amplificador de T2 é usado para fornecer uma corrente de base maior para o tubo de saída T3, o que acelera a condução do tubo de saída. Portanto, a função do estágio intermediário é aumentar a velocidade de ativação do tubo de saída e melhorar o desempenho do circuito.
Estágio de saída: consiste nos transistores T3, T4, diodo D e resistor RC4. Conforme mostrado na Figura 3, a Figura 3 (a) é o circuito NÃO do triodo mencionado acima e a Figura 3 (b) é o estágio de saída no circuito TTL NAND. Como pode ser visto na figura, o estágio de saída é implementado pelo triodo T3 para operação de negação lógica. Porém, no circuito do estágio de saída, uma carga ativa composta pelo transistor T4, diodo D e RC4 é utilizada para substituir o RC no circuito non-gate do transistor, com o objetivo de fazer com que o estágio de saída tenha uma forte capacidade de carga.
(2) Princípio de funcionamento
Na análise a seguir, assuma que os níveis alto e baixo de entrada são 3,6 V e 0,3 V, respectivamente, e a queda de tensão de condução da junção PN é 0,7 V.
① A entrada é de alto nível 3,6 V (lógica 1)
Se a existência de T2 não for considerada, então UB1 = UA + 0,7 = 4,3V. Obviamente, na presença de T2 e T3, as junções de transmissão de T2 e T3 devem ser ligadas ao mesmo tempo. Uma vez que T2 e T3 são ligados, UB1 é fixado em 2,1 V (UB1 = 0,7 × 3 = 2,1 V), então a junção de transmissão de T1 é polarizada reversa e a junção do coletor é polarizada direta, que é chamada de amplificador invertido funcionando Estado. Uma vez que a fonte de alimentação fornece potencial base suficiente para T2 através da junção do coletor de RB1 e T1 para saturar T2, a queda de tensão gerada pela corrente do emissor de T2 em RE2 fornece potencial base suficiente para T3 saturar T3. Portanto, o potencial do o terminal de saída é UY = UCES = 0,3 V e UCES é a queda de tensão de saturação de T3.
Pode-se observar que uma das funções lógicas da porta NAND é realizada: quando a entrada está toda alta, a saída é baixa.
② Entrada de baixo nível 0,3 V (lógico 0)
Quando um ou mais dos terminais de entrada são de nível baixo 0,3 V (lógico 0), a base de T1 e o emissor estão em polarização direta, a junção do emissor é ligada e o potencial de base de T1 é fixado em UB1 = 0,3 + 0,7 = 1V. Ambos T2 e T3 são cortados. Uma vez que T2 está desligado, a corrente que flui através de RC2 da fonte de alimentação de trabalho VCC é apenas a corrente de base de T4. Esta corrente é pequena, e a queda de tensão gerada em RC2 também é pequena e pode ser ignorada, então UB4≈VCC = 5v , de modo que T4 e D sejam ligados, então: UY = VCC-UBE4-UD = 5-0,7-0,7 = 3,6V.
Pode-se ver que outro aspecto da função lógica da porta NAND é realizado: quando a entrada tem um nível baixo, a saída é um nível alto.
Combinando as duas situações acima, o circuito satisfaz a função lógica de NAND e é uma porta NAND.
2. Introdução ao CMOS
1. Introdução
MOS - Metal-Oxide Semiconductor
CMOS - Complementary Metal-Oxide Semiconductor Complementary Metal-Oxide Semiconductor
Os circuitos MOS também são chamados de circuitos integrados de efeito de campo, que são circuitos integrados digitais unipolares. Em circuitos integrados digitais unipolares, apenas uma polaridade de portadores (elétrons ou lacunas) é usada para a condução elétrica.
Suas principais vantagens são alta impedância de entrada, baixo consumo de energia, forte capacidade anti-interferência e adequado para integração em grande escala. Em particular, seu principal produto de circuito integrado CMOS tem vantagens especiais, como o consumo de energia estática é quase zero, o nível lógico de saída pode ser VDD ou VSS e os tempos de subida e queda são da mesma ordem de magnitude. Portanto, o CMOS integrado produtos de circuito tornaram-se circuitos integrados.
2. Nível
Nível CMOS:
Saída L: <0,1 Vcc; H:> 0,9 Vcc.
Entrada L: <0,3 Vcc; H:> 0,7 Vcc.
3. A estrutura básica da porta CMOS NAND
O circuito de porta CMOS NAND do terminal de entrada inclui dois transistores MOS do tipo aprimoramento do canal N conectados em série e dois transistores MOS do tipo aprimoramento do canal P conectados em paralelo. Cada terminal de entrada é conectado à porta de um transistor MOS de canal N e canal P. Quando apenas um dos terminais de entrada A e B estiver baixo, o tubo NMOS conectado a ele será cortado, o tubo PMOS conectado a ele será ligado e a saída será alta; somente quando A e B estão altos energia Normalmente, os dois tubos NMOS conectados em série estão todos ligados e os dois tubos PMOS conectados em paralelo estão todos desligados e a saída é baixa.
Portanto, este circuito tem a função lógica de NAND, a saber
, As portas NAND de n terminais de entrada devem ter n transistores NMOS em série e n transistores PMOS em paralelo.
Devido à relação série-paralela dos transistores MOS que constituem o circuito de porta, a resistência dos transistores MOS mudará, a simetria do circuito CMOS será destruída, a tolerância ao ruído do circuito será reduzida e a saída a forma de onda será assimétrica. Para resolver esses problemas. Com base no circuito de porta CMOS básico mencionado acima, os inversores são adicionados aos terminais de entrada e saída A do circuito para formar um circuito de porta CMOS com buffer.
Tres, a diferenca
1. CMOS é composto de tubo de efeito de campo (circuito unipolar), TTL é composto de transistor bipolar (circuito bipolar)
2. A faixa de nível lógico do COMS é relativamente grande (5 ～ 15V), TTL só pode funcionar abaixo de 5V, a fonte de alimentação do circuito integrado CMOS é simples, a fonte de alimentação é pequena e basicamente não precisa de regulação de tensão. Os circuitos integrados domésticos da série CC4000 podem funcionar normalmente sob a tensão de 3 ~ 18V.
3. A diferença entre os níveis alto e baixo de CMOS é relativamente grande e a capacidade anti-interferência é forte, enquanto a diferença entre TTL é pequena e a capacidade anti-interferência é pobre.
4. O consumo de energia CMOS é muito pequeno, o consumo de energia TTL é grande (1 ～ 5mA / porta), baixo consumo de energia
Os circuitos integrados CMOS usam transistores de efeito de campo e são todas estruturas complementares. Ao trabalhar, dois transistores de efeito de campo em série estão sempre em um estado em que uma válvula está ligada e a outra desligada, e o consumo de energia estática do circuito é teoricamente zero. Na verdade, devido à corrente de fuga, o circuito CMOS ainda tem um pequeno consumo de energia estática. O consumo de energia típico de uma única porta é de apenas 20mW e o consumo de energia dinâmica (na frequência de operação de 1 MHz) é de apenas alguns mW.
5. A frequência operacional do CMOS é ligeiramente inferior à do TTL, mas a velocidade do CMOS de alta velocidade é quase a mesma do TTL
6. A tolerância a ruído do CMOS é maior do que TTL
O valor típico da tolerância ao ruído de tensão dos circuitos integrados CMOS é 45% da tensão da fonte de alimentação e o valor garantido é 30% da tensão da fonte de alimentação.
Conforme a tensão da fonte de alimentação aumenta, o valor absoluto da tensão da margem de ruído aumentará proporcionalmente. Para uma tensão de alimentação de VDD = 15V (quando VSS = 0V), o circuito terá uma margem de ruído de cerca de 7V.
7. Em geral, acredita-se que a velocidade das portas TTL é maior do que a das portas CMOS. Os principais fatores que afetam a velocidade de operação das portas TTL são as características de chaveamento dos tubos dentro do circuito, a estrutura do circuito e os valores de resistência das resistências internas. Quanto maior for o valor da resistência, mais rápida será a velocidade de trabalho. Baixo. Quanto mais longo for o tempo de comutação do tubo, menor será a velocidade de operação da porta. A velocidade da porta se reflete principalmente no "atraso de transmissão" tpd da forma de onda de saída em relação à forma de onda de entrada. O produto de tpd e o consumo de energia sem carga P é chamado de "produto de energia de velocidade" é um indicador importante do desempenho do dispositivo. Quanto menor o valor, melhor o desempenho do dispositivo (geralmente cerca de dezenas de pico (10-12) Joules). Ao contrário do caso dos circuitos de porta TTL, o principal fator que afeta a velocidade de operação dos circuitos CMOS está na parte externa do circuito, ou seja, a capacitância de carga CL. CL é a principal causa da velocidade de operação do dispositivo.O atraso de propagação que afeta a porta CMOS determinada por CL é de cerca de dezenas de nanossegundos.
8. O circuito TTL é um dispositivo de controle de corrente e o circuito coms é um dispositivo de controle de tensão.
9. O nível lógico alto "1" e o nível lógico baixo "0" do circuito integrado CMOS estão respectivamente próximos do VDD de alto potencial de potência e do VSS de potencial baixo de potência. Quando VDD = 15V e VSS = 0V, a oscilação lógica de saída é de aproximadamente 15V. Portanto, o fator de utilização de tensão dos circuitos integrados CMOS é relativamente alto entre todos os tipos de circuitos integrados.
10. A impedância de entrada do CMOS é alta. O terminal de entrada do circuito integrado do CMOS é geralmente uma rede de proteção composta de diodos de proteção e resistores em série, por isso é ligeiramente menor do que a resistência de entrada dos transistores de efeito de campo geral, mas dentro da faixa de tensão normal de operação , todos esses diodos de proteção estão em um estado de polarização reversa, e a impedância de entrada DC depende da corrente de fuga desses diodos. Normalmente, a impedância de entrada equivalente é tão alta quanto 103 ~ 1011 ?, então o circuito integrado CMOS dificilmente consome a energia do circuito de acionamento.
11. A estabilidade da temperatura CMOS é boa. Como o consumo de energia dos circuitos integrados CMOS é muito baixo, a geração de calor interna é pequena e a estrutura do circuito e os parâmetros elétricos do circuito CMOS são simétricos. Quando o ambiente de temperatura muda, alguns parâmetros podem ser reproduzidos uma função. Compensação automática, de modo que as características de temperatura dos circuitos integrados CMOS são muito boas. Geralmente, a temperatura de trabalho dos circuitos embalados de cerâmica-metal é de -55 ~ + 125 ℃; a faixa de temperatura de trabalho dos circuitos embalados de plástico é -45 ~ + 85 ℃.
12. O CMOS tem forte capacidade de fan-out, que é expressa pelo número de terminais de entrada que podem ser acionados pela saída do circuito. Como a impedância de entrada dos circuitos integrados CMOS é extremamente alta, a capacidade de saída do circuito é limitada pela capacitância de entrada. No entanto, quando os circuitos integrados CMOS são usados para acionar o mesmo tipo, geralmente ele pode acionar mais de 50 terminais de entrada se a velocidade não é considerado.
13. CMOS tem forte capacidade anti-radiação.O dispositivo básico no circuito integrado CMOS é o transistor MOS, que é um dispositivo condutor majoritário. Todos os tipos de raios e radiação têm influência limitada em sua condutividade elétrica, por isso é especialmente adequado para fazer equipamentos aeroespaciais e de experimento nuclear.
14. O CMOS tem boa controlabilidade. O tempo de subida e descida da forma de onda de saída do circuito integrado CMOS pode ser controlado. O valor típico do tempo de subida e descida da saída é 125% ~ 140% do tempo de atraso de transmissão do circuito .
15. A interface CMOS é conveniente Devido à alta impedância de entrada e grande oscilação de saída dos circuitos integrados CMOS, é fácil de ser acionado por outros circuitos e também fácil de acionar outros tipos de circuitos ou dispositivos.