повторитель на согласованной паре полевых транзистэов, как было показано в разд. 6.09.

Последнее замечание по поводу входных характеристик: температурные градиенты, возникающие в кристалле из-за рассеяния мощности в выходных каскадах, могут изменять значения входного напряжения сдвига. Б частности, может возникать явление тарахтения (медленные колебания выходного состояния). Это явление имеет место при дифференциальных входных сигналах, близких к нулю, так как вырабатываемое выходом тепло может привести к переключению входа.

Общее быстродействие. Принято считать, что компаратор является идеальным переключателем, который при любой переполю-совке сколь угодно малого дифференциального входного напряжения мгновенно изменяет свое выходное состояние. На самом деле при малых входных сигналах компаратор ведет себя как усилитель, и его параметры переключения зависят от характеристик усиления на высоких частотах. В результате небоьшая перегрузка по входу (то есть сигнал, больший, чем это необходимо для насыщения) вызывает значительную задержку распространения и нередко затягивание фронта или спада на выходе. Технические данные на компаратор обычно содержат графу время переключения для различных значений переключающего напряжения на входе . Такие характеристики для компаратора ЗП приведены на рис. 9.13. Следует отметить, что при включении выходного транзистора по схеме повторителя характеристики ухудшаются вследствие снижения коэффициента усиления. Снижение усиления на высоких частотах можно скомпенсировать увеличением входного сигнала, что приведет к улучшению характеристик. Кроме того, большие внутренние токи усилителя быстрее заряжают внутренние емкости.

В табл. 9.2 приведены характеристики большинства современных компараторов.

9.08. Дискретное управление нагрузкой от элементов ТТЛ и КМОП

С помощью логических элементов ТТЛ и КМОП достаточно просто управлять устройствами релейного типа, такими, как лампы или светодиоды, электромеханические реле, цифровые индикаторы, и даже коммутировать нагрузку в цепях переменного тока. Некоторые способы подключения нагрузки к этим элементам показаны на рис. 9.14. На схеме а предстайлен стандартный метод управления светодиодным индикатором от элемента ТТЛ серии 74хх\ поскольку элементы ТТЛ рассчитаны на отвод больших токов, индикатор подключен к шине +5 В. Светодиод ведет себя как обычный диод с прямым падением напряжения от 1,5 до 2,5 В при типовых значениях рабочих токов от 5 до 20 мА (некоторые новые светодиоды на основе GaAsP имеют хорошую светоотдачу при токе несколько миллиампер). Уп-

Компа

тиа

с а

ft с

tl! и

fto ffl 5=

Синфазные входные напряжения, В^

к

в

о

источни

Положительный

к а

И

Advanced Micro Devices <AM.D)

ки питания, В

Отрицательный

к

Общий источник

н

о

2 ш о и

Парйметры выхода

и

г

си Ч В

г

а

п о а

ю о

м

а

к

о

Таблица 9.2

Примечания

17 18

23 j 24

Тип

к а

а а

I ч

О, К

к

03 3

<

о Si!

о л.

О

Синфазные входные

напряжения, В

Si S

S ш -э-

.ее

г к

< а

ч к

§

Н

Источии

Положительный

к

Входной перепад lOO мВ, переключающее напряжение 5 мВ. * Входной синфазный днапа пробоя, за пределами диапазона нормальная работа не гарантируется, Максимально допу и управление униполярной логикой. 3: земля иа выходе. Н: низкий уровень иа выходе от напряжению. э: выход-открытый эмиттер пр/г-транзнстора для управления эсл. Макси чеиие. Требуется дополнительный источник +5В для питания логики. Переключающее

рощенная схема б говорит сама за себя. Вентиль ТТЛ является источником тока, величина которого ограничена внутренней схемой. Выход вентиля нельзя использовать для управления другими входами элементов ТТЛ, потому что светодиод ограничивает ВЫСОКИЙ уровень на выходе значением ниже номинального.

На схеме в показано, как управлять слаботочным 5-вольтовым реле непосредственно от элемента ТТЛ, отводя ток аналогично схеме а\ диод шунтирует индуктивный выброс. На схеме показано стандартное реле в интегральном конструктивном исполнении с двухрядным расположением выводов, имеюш,ее сопротивление обмотки 500 Ом (потребляемый toiif составляет 10 мА, что мсвивалентно шести

ИИ, питаиия, В

Отрицательный

и

Общий источник

Параметры выхода

о к а

О

чэ о о. н

о

О. 1~

о

продолжение

Примечания

15 15 17

18 19 20 21 22 23 24 25 j 26 27

стробироваиия

вон включает в себя отрицательные напряжения Максимальный диапазон без входного стимое напряжение между входными контактами Допустимы сигналы обеих полярностей Н()сыщенного рл-транзнстора, который можно подключать к любому отличному от нуля мальное внешнее напряжение, к которому можно подключать нагрузку Номинальное зна-напряжеиие 100 мВ

элементам ТТЛ). Для управления более высоковольтными нагрузками пригодны схемы г я д. На схеме г показано, как вентиль с открытым коллектором 7432, работающий от источника напряжением 15 В, управляет 12-вольтовым реле. На схеме д показан сдвоенный периферийный формирователь* 75451, предназначенный для управления любой нагрузкой в диапазоне напряжений до 30 В при токе до 300 мА. Выпускаются также аналогичные элементы с открытым коллектором, рассчитанным на напряжение питания до 80 В (например, DS3611-3614), имеющие даже большую нагрузочную способность по току.

В рассмотренных схемах не имеет смысла использовать элементы

й

Z20 0M

+ 12 -i-

Реле 12 В

б

ТТЛ

8 н-5

тщ ж Реле 5 В

О

7 732

от+5 8 до+30 2

ТЛ 1 75451

ТТЛ .ли КМОП ,

)нагрузка!

ТТЛ

г

I Нагрузка!

Л

макс I Нагрузка]

ТТЛ ипи НМОП

40501 КМОП]

401О7 сс J

г4( 56 в макс!

Нагррка| до J boo мА

И

Ш71С906 18S 20мА г ЭОИ/:

ТТЛ Рис. 9.14,

-115 В

ТТЛ серии 74LSxXf для которых нагрузочная способность по току в состоянии НИЗКОГО уровня на выходе составляет всего 8 мА. Если используется серия ТТЛ lALSxx, то для управления светодио-дами следует применять элементы типа 7404 или даже 74Н04. Когда сильноточная нагрузка питается непосредственно от логических элементов, следует уделять особое внимание шине земли, так как ток нагрузки возвраш.ается к нулевой шине источника через кристалл микросхемы. В некоторых случаях нужно использовать отдельный земляной провод.

На схеме 9.14, е показано, как / -транзистор может быть использован для коммутации сильноточной нагрузки от элементов ТТЛ или КМОП. Если потребуется увеличить выходной ток, можно уменьшить сопротивление резистора Ri или использовать второй транзистор, как это сделано на схеме ж. Схемы зим показывают, как управлять нагрузкой, подключенной к источнику отрицательного напряжения. Транзистор рпр-тит открывается ВЫСОКИМ выходным уровнем, и напряжение насыщения на коллекторе становится выше потенциала земли на величину падения напряжения на диоде. В схеме з ток элемента ТТЛ определяет предельный эмиттерный ток и, следовательно, максимальный ток коллектора (ток нагрузки). В улучшенной схеме и применен буферный каскад, в качестве которого использован jDrt-повторитель. Включенный последовательно с выходом диод предохраняет нагрузку от положительных перепадов. В обоих случаях максимальный ток нагрузки равен эмиттерному току рпр-транзистора. Отметим, что выход вентиля в схеме з нельзя использовать для управления другими логическими элементами, поскольку уровень на нем ограничен величиной падения напряжения на диоде по отношению к земле. Аналогичные схемы выпускаются в интегральном исполнении (например, формирователь для реле с отрицательным питанием DS3687). Они имеют входы, совместимые с уровнями КМОП/ ТТЛ, и выходы, рассчитанные на нагрузку 300 мА при напряжении до 56 В. Аналогичный выход, но положительной полярности обеспечивает элемент DS3686.

Стандартные логические элементы КМОП при напряжении питания 5 В имеют выходную нагрузочную способность значительно ниже 1 мА. Поэтому для управления светодиодами и т. п. необходимо использовать какие-либо мощные усилители. На схеме к показано, как управлять светодиодами через элемент 4050 (шесть буферов). Этот элемент может отводить ток от 5 до 50 мА при напряжении питания от 5 до 15 В соответственно (с увеличением напряжения питания нагрузочная способность выхода по току растет). Схемы л и м используют еще более мощные усилительные элементы: элемент 40107 имеет мощный выходной -канальный МОП-транзистор с открытым стоком , рассчитанный на отвод тока от 16 до 50 мА (при напряжении питания 5-15 В соответственно), а элемент DS3632 с выходным усилителем, выполненным на -транзисторах по схеме Дарлингтона, может пропускать ток до 300 мА. Конечно, можно всегда использовать

сопряжение бис на п- и /г-канальных моп-транзисторах

Большие интегральные схемы (БИС) обычно строятся на работающих в режиме обогащения полевых МОП-транзисторах одной полярности. Это позволяет сократить несколько стадий технологического процесса по сравнению с КМОП-технологией и обеспечить более высокую плотность размещения элементов в кристалле, чем при биполярной или КМОП-технологии. Поскольку такие БИС имеют широкое распространение, необходимо знать, как сопрягаются между собой элементы МОП и ТТЛ (или КМОП) и как входы и выходы МОП-элементов соединяются с внешними схемами на дискретных компонентах. Большинство БИС на МОП-элементах разрабатываются сов-

и внешние дискретные транзисторы, как это сделано на схемах ж и з, но их применение ограничено величиной базового тока, которая равна примерно 0,25 мА.

Для управления нагрузкой переменного тока проще всего использовать твердотельное феле , как показано на схеме н. Это реле представляет собой триак с оптической связью, имеющий вход, совместимый с ТТЛ, и нагрузочную способность по току от 10 до 40 А при коммутации нагрузки переменного тока под напряжением 115 В. В этом случае можно использовать и обычное реле, предназначенное для работы от логического элемента. Однако здесь нужно проверить паспортные данные, так как большинство миниатюрных реле, которые могут управляться от логических элементов, не могут коммутировать мощную нагрузку переменного тока, поэтому такое реле, возможно, придется использовать для возбуждения второго, более мощного реле. Многие твердотельные реле переключаются при переходе через нуль . Это очень полезная особенность, которая позволяет предотвратить попадание помех и выбросов шины переменнсУго тока. Мусор на шинах питания переменного тока вызывается схемами на триаках, которые не используют коммутацию при переходе через нуль переменного напряжения. Таковы, например, регуляторы с фазовым управлением, предназначенные для осветительных ламп, термостатов, двигателей и т. д.

Для управления 7-сегментными цифровыми индикаторами обычно используются комбинированные элементы, содержащие дешифраторы и формирователи. Сейчас их становится все больше и больше, включая устройства с отводом тока (с общим анодом) и с отдачей тока (с общим катодом). К типичным представителям подобных устройств относятся преобразователь двоично-десятичного кода в 7-сегментный (с формирователями, отводящими ток) 7447 на элементной базе ТТЛ и преобразователь подобного же типа, выполненный на элементах КМОП, который содержит, кроме того, буферный регистр (формирователь этого устройства работает в режиме отдачи тока). Примеры применения этих элементов будут приведены ниже.

местимыми с ТТЛ, поскольку они широко используются в системах на элементах ТТЛ, однако тут есть и некоторые тонкости, которые следует рассмотреть.

9.09. Входы п-канальных МОП-элементов

На рис. 9.15 показана входная схема элемента на п-канальных МОП-транзисторах, предназначенных для работы от элементов ТТЛ. Транзистор Тг представляет собой инвертор, а транзистор Тг - ис-токовый повторитель с малыми геометрическими размерами, который задает ток от шины питания (резисторы занимают слишком много места, поэтому в качестве стоковой нагрузки всегда используются полевые МОП-транзисторы); отдельно на рисунке показан распространенный вариант изображения транзистора Гг. Пороговое напряжение входного транзистора в новых низкопороговых устройствах с кремниевыми затворами имеет величину от 0,5 до 1,5 В, а в старых элементах лежит в пределах от 2 до 3 В. Таким образом, для того, чтобы на входах п-канальных МОП-транзисторов надежно обеспечить

Рис 9.15. Входная схема логического элемента на п-канальных МОП-транзисторах, работающих в режиме обогащения.

а

+ 5В

Т---ч \, п' моп

.Til. -J-к

универсальный ВЫСОКИЙ уровень, следует использовать нагрузочный резистор, подключающий выход ТТЛ к шине питания. НИЗКИЙ

уровень на выходах ТТЛ вполне подходит для управления МОП-транзистором. Как обычно, сопротивление нагрузочного резистора должно быть достаточно малым, чтобы обеспечить необходимую скорость перехода из НИЗКОГО состояния в ВЫСОКОЕ независимо от емкости нагрузки на выходе элемента ТТЛ; как правило, используются номиналы от 1 до 10 кОм.

Если выходы элементов ТТЛ управляют входами п-канальных МОП-транзисторов через соединительный кабель длиной в несколько метров, могут возник-

i -75 нь -500 ис Время -

Рис. 9.16. Емкостная нагрузка увеличивает цремя нарастания выходного напряжения.

путь проблемы быстродействия Гак как емкость нагрузки в этом случае нередко достигает нескольких сотен пикофарад и даже больших величин. Сигнал на1Ходе элемента ТТЛ

будет иметь вид, показанный на рис. 9.16. Хотя время нарастания выходного сигнала до уровня +2,8 В составляет от 50 до 75 не, может потребоваться еще 50 не для того, чтобы достичь уровня +3,5 В даже при сопротивлении нагрузки 2,2 кОм (необходимо предусмотреть соответствующую защиту от помех для логического порога ВЫСОКОГО уровня МОП-транзистора, равного 3 В). Один из вариантов решения этой проблемы заключается в применении специальных схем на МОП-элементах, например, типа 74LS363 и 74LS364. Эти схемы представляют собой буферные регистры, имеющие на выходах шинные формирователи с тремя состояниями. Минимальное значение ВЫСОКОГО уровня на выходе этих элементов составляет 3,65 В, в то время как у обычных элементов ТТЛ эта величина равна 2,4 В. Они имеют также выход с активной нагрузкой, гарантирующий высокую скорость переключения при более положительном ВЫСОКОМ..уровне. Для новых МОП-элементов с низкими значениями входного порога такие приборы, снабженные специальной выходной схемой, обычно не требуются, так как здесь вполне удовлетворительно работают обычные элементы ТТЛ.

Логические элементы КМОП с напряжением питания +5 В можно непосредственно подключать ко входам БИС на МОП-транзисторах, совместимым с элементами ТТЛ. В этом случае нагрузочные резисторы не нужны, поскольку на выходе элементов КМОП получается полный перепад напряжения до +5 В.

Некоторые ИМС на л-канальных МОП-транзисторах включают в себя нагрузочные полевые транзисторы, которые иногда управляются внешним входным сигналом. Такими элементами можно без особого труда управлять прямо с выходов ТТЛ, однако, если имеется большая емкость, нужно поступать, как было описано выше.

9.10. Выходы л-канальных МОП-элементов

На рис. 9.17 изображен выходной каскад распространенного низковольтного логического элемента на п-канальных МОП-транзисторах. Схема работает от одного источника напряжением +5 В. На транзисторе Ti выполнен ключ, а транзистор Та представляет собой истоковый повторитель. Схема спроектирована таким образом, что при НИЗКОМ уровне транзистор Tl может отводить ток в несколько миллиампер, обеспечивая на выходе напряжение ниже 0,5 В. о возможно

Истоковый повторитедь

о Выход

Клнзч

Ток отдачи 0.Z мА при 2,4 В Тон отбодй 2.0 мА при 0,5 Б

Рис. 9.17, Схема выхода логического элемента на п-канальных МОП-транзясгорах.

благодаря тому, что затвор транзистора Тг может управляться от напряжения Vcq (обычно это +5 В, для совместимости с