книги из ГПНТБ / Скарлетт, Дж. Транзисторно-транзисторные логические интегральные схемы и их применение

TRANSISTOR-TRANSISTOR LOGIC AND ITS INTERCONNECTIONS

A Practical Guide to Microelectronic Circuits

J. A. SCARLETT

Marconi Radar Systems Limited

Chelmsford, Essex

Van Nostrand Reinhold Company London

New York — Cincinnati — Toronto — Melbourne 1972

УДК 62 1 .3 9 6 .6 9 .0 0 1 .2 4

.

J ' • '

Книга посвящена вопросам применения ТТЛ (транзисторно­ транзисторных логических) интегральных схем (ИС). Описываются различные серии ТТЛ ИС и основные особенности их работы. Приведены чрезвычайно интересные сведения о влиянии окружаю­ щей среды на параметры ТТЛ ИС, рассмотрены Еопросы проек­ тирования цифровых блоков, устройств и систем с использованием ТТЛ ИС.

Книга адресована инженерам, занимающимся созданием цифро­ вых электронных устройств и узлов ЭВМ, разработчикам и потре-. бителям полупроводниковых интегральных схем и студентам радиотехнических специальностей вузов.

Редакция литературы по новой технике

© Перевод на русский язык, «Мир», 1974

Дж. Скарлетт

ТРАН ЗИ СТО РН О -ТРА Н ЗИ С ТО РН Ы Е ЛОГИЧЕСКИЕ И Н Т Е Г Р А Л Ь Н Ы Е СХЕМЫ И ИХ П РИ М Е Н Е Н И Е

Редактор Н. В. Серегина.

Художник Н. А. Ящук. Художественный редактор В. К. Бисенгалиев. Технический редактор В. П. Сизова. Корректор И. П. Максимова.

Сдано в набор 4/1V 1974 г. Подписано к печати 8/V II 1974 г. Бумага кн.-журй. 60 x 9 0 V ie = 9,00 бум. л. 18,00 печ. л. Уч.-изд. л. 17,02

Изд. № 20/747 1* Цена 1 р. 38 к. Заказ № 1241

Издательство «Мир> Москва, 1-й Рижский пер., 2

Ордена Трудового Красного Знамени Первая' Образцовая типография имени А. А. Жданова

Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли,

Москва, М-54, Валовая, 28,

Предисловие редактора

Интегральные схемы с транзисторно-транзисторной логикой, или ТТЛ ИС, являются в настоящее время самыми распространенными логическими схемами, которые используются в логических блоках радиоэлектронной аппаратуры и особенно в цифровых электронных вычислительных машинах. ТТЛ ИС выпускаются массовым тиражом фирмами многих стран, в том числе и в Советском Союзе.

Хорошие технико-экономические характеристики, большой набор логических элементов (сотни типов), постоянное расширение но­ менклатуры ИС сериями с повышенной степенью интеграции, высоким быстродействием и сериями с малой потребляемой мощностью при совместимости по уровням сигналов делают ТТЛ ИС пригодными для использования в аппаратуре различного назначения.

В настоящее время накоплен немалый опыт по применению ТТЛ ИС и методике построения на них электронных функциональных узлов с учетом правил межсоединений, помехоустойчивости и дру­ гих вопросов взаимодействия ИС в конструкции электронных систем.

Изготовители ТТЛ ИС выпускают большое количество различных справочников, каталогов и технических условий с характеристи­ ками ТТЛ ИС и методикой их применения. Издаются также руко­ водства по применению ИС при разработке функциональных схем и конструкций аппаратуры с их использованием. Однако в этих документах, как правило, не обосновываются принятые схемотех­ нические решения или не затрагиваются вопросы теории процессов, происходящих как внутри интегральных схем, так и при их взаимо­ действии через линии связи. Автор, проанализировав имеющуюся литературу по вопросам ТТЛ ИС и на основе собственного опыта работы с ними, методически четко построил содержание книги, что позволяет читателю понять и глубже'разобраться в схемотехнике, логике работы, принципах конструирования аппаратуры и других вопросах применения ТТЛ ИС.

Книга, небольшая по объему, однако содержит 19 глав и отвечает

.на многие вопросы по ТТЛ ИС.

Во введении дается ответ на вопрос, что такое ТТЛ-схемы, де­ лается краткий исторический экскурс с целью показа объективных ^условий появления ТТЛ ИС и перспектив их использования.

Глава 2 посвящена вопросам производства ТТЛ ИС, и в частно­ сти методам и технологии сборки кристаллов в корпуса. Эти мате­ риалы излагаются в главе очень кратко, и читателю даются лишь те сведения, которые ему нужны для понимания структуры и соста­ ва конструктивных элементов ИС, а не для организации производ­ ства или внедрения технологических процессов. Здесь же приводятся некоторые сведения об испытаниях и измерениях ТТЛ ИС, а также

окачестве и надежности ИС.

Вэтих разделах читатель может ознакомиться с физико-химиче­

скими процессами, определяющими качество и надежность ИС. Включение этих разделов и разбор вопросов природы и физики отказов ИС, на мой взгляд, очень важно и не случайно, ибо потре­ битель ИС или разработчик аппаратуры на ИС вместе с изготови­ телями ИС должен серьезно заниматься этими вопросами, так как очень часто некоторые дефекты ИС могут проявляться лишь в опре­ деленных условиях работы аппаратуры как в электрическом режи­ ме, так и при внешних воздействиях. Помимо этого, в книге изла­ гаются некоторые методы специальных испытаний ИС для выявле­ ния потенциально ненадежных мест и внутренних дефектов в ИС как самый эффективный способ обеспечения требуемой высокой надежности ТТЛ ИС.

Описание принципиальной схемы и логики работы ТТЛ-схем сделано на примере базовой ТТЛ-схемы, которая состоит из первого входного каскада, второго — фазоразделительного и третьего — выходного. При описании 'базового ТТЛ-вентиля (гл. 3) автор знакомит читателя с сериями ТТЛ ИС, выпускаемыми фирмами США. При этом поясняются схемные и другие способы, исполь­ зуемые разработчиками ТТЛ ИС для получения различных ти­ пов схем, отличающихся по быстродействию, потребляемой мощ­ ности и другим параметрам. При разработке сложных логических и функциональных схем, помимо базового ТТЛ-элемента, исполь­ зуются различные его варианты (гл. 7), позволяющие расширять логические возможности основной схемы по И и по ИЛИ, а также работать на линии связи и т. п.

Низкочастотные параметры, входные и выходные характеристи­ ки, передаточная характеристика и другие статические зависимости ТТЛ-схем приведены в гл. 4.

В гл. 5 упрощенно излагается работа ТТЛ-схем в режимах включения и выключения и приводится зависимость рассеивае­ мой мощности от частоты переключения.

Четвертая, пятая и особенно шестая главы дают возможность читателю познакомиться с основными процессами, происходящими в схемак в статике и режимах переключения, и связанными с этим эффектами.

Представляет интерес гл. 8, в которой анализируются принципы формирования семейств (серий) интегральных схем и частично

обосновывается номенклатура схем внутри семейства. Автором пред­ лагается также упрощенная система цифровых обозначений типов схем, исходя из выполняемой схемой функции и количества схем

вкорпусе.

Вгл. 9 подробно описаны основные параметры ТТЛ ИС, для многих серий приведены их значения в виде таблиц. Значения боль­ шинства основных параметров почти всех серий ТТЛ ИС автор лично тщательно проверил и сравнивает свои данные с данными изготови­ телей, включенными в технические условия. При этом даются полез­ ные советы в части учета тех или иных изменений параметров схем при построении аппаратуры.

Вследующей главе исследуется влияние внешней температуры, емкости, нагрузки, мощности рассеяния, коэффициента разветвле­ ния, присоединения расширителей на такие параметры вентилей, как быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочная способность и выбросы токов при переключении. При этом материал излагается не в формальном табличном виде, как это делают изготовители ИС

всвоих справочных листах, а с количественным и качественным обоснованием этих зависимостей, позволяющим глубже разобраться

вработе ТТЛ-схем в различных режимах.

главы.

В гл. 11 приводятся схемы всех известных типов триггерных схем и описывается логика их работы. При рассмотрении триггеров R-S, M-S, J-K и D -типа производится сравнение их параметров, указываются недостатки каждого из них и даются рекомендации по использованию тех или иных типов триггеров в логических схемах устройств.

Отдельная (12) глава посвящена ТТЛ-схемам средней степени интеграции (СИС-схемам). Здесь дается определение этих схем, описываются их преимущества и недостатки и приводятся схемы средней степени интеграции .типовых функциональных схем, таких, как регистры, счетчики, дешифраторы и мультиплексоры, арифмети­ ческие узлы и модули памяти.

В гл. 13 приводится детальное рассмотрение логики и режимов работы всех триггерных схем с учетом системы синхронизации.

На этом описание собственно ТТЛ ИС в книге заканчивается. Однако, чтобы наиболее эффективно использовать ИС в аппаратуре и реализовать их параметры быстродействия, обеспечить работо­ способность сточки зрения помехоустойчивости и т. п., потребителю ИС необходимо знать основы теории линий передачи и практические пути по реализации линий межсоединений в реальных конструк­

8 Предисловие редактора

циях аппаратуры на ТТЛ ИС. Этим очень важным и интересным вопрасам посвящены последующие 14, 15 и 16 главы.

и паразитных колебаний в линиях реальных конструкций печатных плат, используемых для монтажа ТТЛ ИС.

Использовав свой собственный опыт и опыт работ других фирм, автору удалось сформулировать количественные и качественные рекомендации по правилам межсоединений ТТЛ ИС и конструиро­ ванию печатных плат для этих целей. На основе изложенных мате­ риалов разработчик аппаратуры на ТТЛ ИС может качественно (грубо) рассчитать основные граничные параметры конструктивных элементов печатных плат, их структуру и влияние этих параметров на параметры взаимодействия ТТЛ ИС.

Книга заканчивается главами, одна из которых (17) так и назы­ вается: «Практические рекомендации по применению ТТЛ ИС», а две последние (18 и 19) касаются также практических вопросов, связанных с логическим проектированием систем на ТТЛ ИС. Эти главы как своими названиями, такщ по содержанию подводят итог задуманной автором цели помочь читателям разобраться в работе ТТЛ ИС на основе обобщения опыта работы с этими схемами и дать практически полезные рекомендации всем, кто работает с ними. На мой взгляд, автору это удалось и книга будет пользоваться успехом как у студентов, так и у тех, кто не только начинает, но и уже имеет большой опыт работы по использованию интегральных схем.

Б. И. Ермолаев

Из предисловия автора

9 этой книге речь пойдет о ТТЛ ИС (транзисторно-транзистор­ ных логических интегральных схемах) и их применении. Она на­ писана как пособие для всех, кто применяет ТТЛ ИС или готовится к этому: для разработчиков систем и схем, конструкторов радио­ электронной аппаратуры, специалистов по измерениям и испытаниям ИС, инженеров-эксплуатационников, студентов и других лиц, начинающих свою деятельность в области электроники и применения интегральных схем.

Цель книги помочь читателям лучше понять, что собой представ­ ляют ТТЛ ИС, как они работают и как их лучше всего применять, а также предложить специалистам-практикам пути решения некото­ рых связанных с этим проблем. Книга не претендует на замену спра­ вочных материалов и каталогов, выпускаемых изготовителями ТТЛ ИС, а содержит лишь дополнительную информацию к много­ численным материалам, выпускаемым изготовителями этих схем.

При изложении материала предполагается, что читатель знает теорию транзисторов, понимает основы электронной техники и об­ ладает некоторыми знаниями в области логического проектирования. Всюду, где возможно, опущены математические выкладки, а также термины, которые еще не стали в электронной промышленности общеупотребительными. Автор старался максимально упростить изложение материала, чтобы облегчить его понимание всеми чита­ телями независимо от уровня их подготовленности. В основном стиль изложения и характер представления материала выбраны та­ кими потому, что с методической точки зрения они были опробованы и оказались наилучшими при объяснении сложных аспектов ТТЛ ИС студентам и молодым инженерам, поступавшим на фирму Marconi, и в частности в Отделение вычислительных машин этой фирмы в течение последних четырех лет. Автор старался включать только тот материал, который принципиально необходим для полного понимания работы ТТЛ ИС. Некоторые вопросы, такие, как произ­ водство интегральных схем, рассмотрены в книге весьма кратко. Часть вопросов, также имеющих определенное отношение к рассмат­ риваемой тематике, например охлаждение, конструирование меха­ нически ударо- и виброустойчивых ИС, разработка мощных пере­ датчиков и приемников сигналов для длинных линий связи и схем