ттл и кмоп логика
Электроника начинающим
Привет, друзья мои 🙂
Признаться честно, долго думал как лучше назвать эту статью… Начальный вариант был разновидности логических элементов, однако потом решил все-таки что, наверное, название ТТЛ и КМОП будет более подходящим- дело в том что эти разновидности выполнения логических устройств в настоящее время являются самыми распространенными. В общем, давайте начнем издалека…
Общая тенденция к миниатюризации радиоаппаратуры началась еще где-то в 1960-х годах. Точнее как сказать миниатюризация… Наверное более правильно было-бы выразится унификация- то есть начались первые попытки изготовления готовых устройств по типу блочно-модульная сборки: некий набор готовых устройств, из которых собирается потом более сложное изделие.
Ничего не напоминает? Совершенно верно- это были первые прототипы микросхем. Конечно по современным меркам такие изделия микросхемами назвать сложно, но, как говориться, лиха беда начало…
Поначалу это были различные сборки деталей (резисторные, транзисторные), но потом появились уже и первые более сложные устройства- как аналоговые, так и логические.
Давайте вернемся чуть назад и вспомним предыдущие статьи- мы там рассматривали логические устройства на основе простых дискретных элементов. Взять, к примеру, Логический элемент ИЛИ. Вот схема из этой статьи
Как он работает мы в подробности вдаваться не будем (все уже рассказано в оригинале статьи по ссылке выше), давайте лишь обратим внимание на чем он собран. А тут все чрезвычайно просто- один транзистор, несколько резисторов, да пара диодов. И именно поэтому такую схему принято называть Диодно-Транзисторная Логика (сокращено ДТЛ). Причем схему эту можно выполнить даже и без диодов- просто на одних только резисторах и диодах. Вот схема:
И такая схема будет называться Резисторно-Транзисторная логика (сокращенно РТЛ).
Обе эти схемы очень просты, работоспособны, но имеют пару недостатков.
В первую очередь это тот факт, что номиналы деталей ( резисторов в первую очередь) подбираются исходя из применяемых условий- параметров транзисторов и напряжения питания. Следовательно работоспособность этих схем будет очень зависеть от параметров питания.
Во-вторых транзисторы в этих схемах в режиме ожидания все-же будут потреблять некоторый ток. А это значит что если взять какое-то готовое устройство с множеством таких логических элементов, то и общий ток потребления будет довольно высоким.
Третье— это быстродействие схемы. Да-да, этот параметр также может играть очень важную роль! Если, скажем, мы собираем какую-нибудь простенькую схему световых эффектов, то задержка срабатывания в 0,25 секунды нам никаких забот не принесет, то для сложной схемы из-за этого могут и проблемы возникнуть…
Ну и еще один момент: если мы посмотрим на эти предыдущие схемы, то несложно заметить что в них все построено вокруг одного-единственного транзистора- и сигналы управления на него приходят и он-же служит и ключевым элементом. Все просто, но насчет надежности работы и четкости срабатывания такого устройства могут возникнуть вопросы- тут и параметры транзисторов могут отличаться, плюс возможен температурный дрейф, ну и так далее.
Под словом четкость срабатывания имеется ввиду переход из одного логического состояния в другое. Так, к примеру, если для какой-то схемы уровень логической единицы должен быть +5V, то полуоткрытых транзистор напряжением, скажем, +2.5V на выходе конечно-же вызовет сбой в работе свей схемы.
Поэтому было принято решение построения логических элементов по много-транзисторному принципу- один транзистор является управляемым по входам, а второй служит уже в качестве выходного каскада. Соответственно такой принцип логики получил название Транзисторно-транзисторная (или сокращенно ТТЛ)
ТТЛ логика
Как уже было сказано выше- ТТЛ логика основана на многотранзисторности: один транзистор устанавливается во входных (управляющих) цепях, а второй- это уже ключевой.
Что это нам дает: ток потребления конечно-же это не снизит (даже скорее наоборот), а вот четкость срабатывания улучшится в разы. Помимо этого у нас появляется возможность применения мощных транзисторов в выходных каскадах. В общем открываются более широкие возможности и именно поэтому микросхемы, изготовленные по ТТЛ принципу уже стали серийными и довольно давно применяются в различной электронике. Из отечественным микросхем самая распространенная серия это К155 (иногда К555) — именно их можно чаще всего встретить в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, да и различных радиолюбительских конструкций на их основе множество.
Давайте рассмотрим несколько вариантов структурных схем ТТЛ логики.
Вот одно довольно интересное решение- многоэмиттерные транзисторы в управляющем каскаде. В бытовой технике такие транзисторы нигде не встречаются, а вот внутри микросхемы на уровне кристалла очень даже часто. Во так выглядит элемент 2И-НЕ микросхемы
Как он работает? А давайте просто вспомним принцип работы биполярного транзистора— на базу поступило напряжение смещения, транзистор открылся и в цепи коллектор- эмиттер возник ток.
Это, так сказать, азы- здесь все ясно. Но если копнуть более глубже- ток напрямую зависит от параметров нагрузки эмиттерного каскада, то есть если у транзистора несколько эмиттеров, то и у тока будет насколько направлений и между ними будет очень большая зависимость.
Ну а дальше все будет выглядеть так: на базе левого (по схеме) транзистора присутствует постоянное положительное напряжение, следовательно он будет открыт. Из за этого на базе правого (по схеме опять-же) транзистора возникнет падение напряжения и он будет заперт.
Для того чтобы правый транзистор открылся какие у нас должны сложиться условия? Да, правильно- на оба эмиттера должен поступить высокий уровень (логическая 1), тогда падение напряжения на его переходе КЭ прекратится, а на базу правого транзистора поступит положительное напряжение смещения через PN переход БК левого транзистора.
Еще один вариант- так называемая схема ТТЛШ. Буква Ш в конце аббревиатуры означает что используются диоды Шоттки.
Входной каскад здесь работает по уже знакомой нам схеме ДТЛ, а применение диодов Шоттки позволило увеличить быстродействие. Ну и это еще не все!
Во-первых по входам установлена защита от статики (опять-же все на тех-же диодах), а выходной каскад выполнен на составном транзисторе, то есть может работать на высокую нагрузку.
Ну а в целом параметры у ТТЛ элементов примерно такие:
Ток потребления компонентов с ТТЛ составляет от 10 до 120 mA.
Уровень логической единицы чаще всего составляет +5V (реже +3.3V).
Ну, и конечно, недостатки остались все те-же: критичность к питанию и высокий ток потребления. Для питания логики ТТЛ обязательным условием является применение стабилизированного источника питания!
КМОП логика
Аббревиатура КМОП означает Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник. Звучит совершенно непонятно, и поэтому скажу проще- эта логика выполнена на основе полевых транзисторов. Чем они отличаются от ТТЛ? Да в первую очередь что быстродействие у полевика гораздо выше, чем у биполярного и открывание происходит лавинообразно, то есть, практически мгновенно. Помимо этого в открытом виде полевой транзистор практически не имеет внутреннего сопротивления, а в запертом ток потребления у него ничтожный.
В результате что это нам дает:
1. Ток потребления у КМОП логики намного меньше чем у ТТЛ- всего лишь 0,1…100 мкА.
2. Нет критичности к питанию. Напряжение питания у элементов, построенных на полевых транзисторах, составляет от 3В до 15В.
3. Напряжение низкого уровня (логического ноля) от 0 до 0,3В, высокого (логической единицы) близкое к напряжению питания. В бытовой электронике это чаще всего +9V.
Ну а как микросхемы КМОП выглядят изнутри- вот пример
Из отечественных КМОП микросхем чаще всего можно встретить серию К561. Иногда в старых схемах встречались микросхемы серии К176, но сейчас они огромная редкость.
Ну и последнее- а можно-ли как-то состыковать микросхемы разных структур? Те-же самые ТТЛ и КМОП? В принципе да, возможно. В чем тут в первую очередь загвоздка- конечно-же уровни логической единицы. Если ТТЛ выдает примерно +5V, то у КМОП чаще всего это +9V. На просторах инета чаще всего ходит такой вариант
Ну то есть осуществить дополнительную «подтяжку» через резистор- для КМОП поднять напряжение логической единицы для необходимого уровня. Говорят что работает, лично я не рисковал ни разу так делать- есть риск попадания повышенного напряжения на выход ТТЛ микросхемы.
На мой взгляд менее рискованно было-бы пойти по вот такому принципу:
Здесь такого риска уже нет- выход ТТЛ микрухи никак не взаимодействует с повышенным напряжением- управление входными цепями КМОП-логики производится через дополнительный ключевой транзистор.
