Схемы с непосредственными связями

Элементы транзисторной логики с непосредственными связями (ТЛНС) относятся к начальному периоду разработки микросхем и на практике не применяются. Однако идеи построения этих элементов используются в современных микросхемах. Основная идея таких логических элементов заключается в суммировании (вычитании) проводимостей (сопротивлений) в выходных цепях полупроводниковых цифровых ключей в зависимости от комбинации входных сигналов (представленных уровнями тока или напряжения во входных цепях).

Для сравнения можно вспомнить логические элементы РТЛ или ДТЛ, где суммирование происходит во входной цепи.

Простейшие схемы логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ ТЛНС представлены на рис. 5.1.

Простота схем приводила к тому, что их рассматривали как схемную основу цифровой полупроводниковой электроники. Однако у этих схем есть ряд недостатков.

Один из недостатков состоит в том, что логический элемент И-НЕ ТЛНС имеет индивидуальную характеристику по каждому входу. Это приводит к тому, что не обеспечивается единство схемного интерфейса по разным логическим входам. Из рис. 5.1 видно, что входные сопротивления по входам х₁ и х₂ различны. Другим недостатком является то, что здесь должна рассматриваться передаточная характеристика не в виде U_вых = f(U_вх), а в виде I_к = f(I_вх).

Рис. 5.1. Схемы элементов с непосредственными связями

Более существенный недостаток проявляется в том, что при включении выхода на несколько нагрузок возникает явление перехвата тока. Из рис. 5.2 видно, что при параллельно включенных p-n-переходах на линии нагрузки (1-го каскада) установится напряжение U_бэ, определяемое транзистором с наиболее крутой вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Величины токов базы транзисторов при этом могут отличаться в десятки раз. Это явление и получило название перехвата тока.

Рис. 5.2. Подключение двух нагрузок к общему выходу

При этом управляющие токи I_б1, I_б2 в нагрузках (логических элементах 2-го каскада) будут существенно различаться вплоть до отсутствия напряжения U_вых в некоторых логических элементах.

В целях устранения этого явления в цепи базы вводят дополнительные резисторы R_д1, R_д2 (создают модифицированные ТЛНС (МТЛНС). Однако резистор занимает на кристалле микросхемы много места, а быстродействие оказывается существенно ниже, чем у микросхем ТТЛ.

Решение проблемы перехвата тока было найдено в разработке микросхем интегральной инжекционной логики (ИИЛ). На рис. 5.3 приведено новое разделение элементов предыдущей схемы.

Рис. 5.3. Схема выделения базового элемента ИИЛ

Новый логический элемент ЛЭ включает нагрузочный резистор Rк микросхемы источника сигнала и входные транзисторы нагрузок VTн1, VTн2. Выделение произведено по цепям коллекторов. Резистор Rк в новом элементе заменен транзистором.

5.2. Схемотехника ИС инжекционной логики И²Л

Схемы интегральной инжекционной логики (ИИЛ), или И²Л-схемы, являются развитием схем с непосредственными связями. Основные положения, на которых базируется построение схем с непосредственными связями, остаются в силе при построении И²Л-схем, выполненных на современном уровне и с использованием всех последних достижений интегральной технологии. Работоспособность такой схемы зависит от выбора нагрузки предыдущего каскада R_к, задающей ток в базовой цепи выходного транзистора (пунктир на рис. 5.4, а).

Основу схемотехники И²Л составляет инвертор (рис. 5.4, б), работающий в насыщенном режиме и выполненный на многоколлекторном транзисторе VT₂, обеспечивающем развязку выходов для исключения их взаимного влияния.

Нагрузка для предыдущего каскада R_к, принадлежащая его базовой цепи, в новом элементе выполнена на p-n-p – транзисторе VT₁. Схема очень технологична и занимает минимальную площадь на кристалле. Область n нового элемента принадлежит как базе p-n-p – транзистора, называемого инжектором, так и эмиттеру ключевого транзистора – инвертора (его база p является коллектором инжектора).

а б

Рис. 5.4. Схема инвертора инжекционной логики: а – задание режима;

б – типовая схема инвертора

Особенностью этой схемы является то, что она допускает исключительно изящную реализацию в интегральной схеме. Здесь ток базы многоколлекторного транзистора задается непосредственной инжекцией неосновных носителей в эмиттерную область транзистора n-p-n (VT₂) (эмиттер VT₂ – он же база VT₁). Именно это и определило название рассматриваемых логических элементов.

Упрощенно базовый элемент ИИЛ представляется схемой, изображенной на рис. 5.5, а, где p-n-p-транзистор представлен генератором тока. Напряжение питания И²Л-схем составляет 1,5 В, амплитуда логического сигнала ~0,7 В. Благодаря высокоомности нагрузки, реализуемой p-n-p-транзистором (см. рис. 5.4, б), мощность рассеяния может быть снижена до 20 мкВт. При задержке инвертора t_зд.р = 50 нс это обеспечивает И²Л-схеме работу переключения А = 0,02·50 = 2 пДж (в 100 раз меньше, чем у ТТЛ-схем). Плотность элементов на кристалле И²Л-схем в 50 раз выше, чем у ТТЛ-схем. Все это делает схемотехнику И²Л весьма перспективной для БИС.

а б

Рис. 5.5. Логические элементы логики И²Л: а – упрощенная схема инвертора;

б – логический элемент И–НЕ с диодами Шотки

При использовании диодов Шотки в качестве диодной логики и развязки цепей на входе, а транзисторов Шотки – в качестве инверторов (рис. 5.5, б), показатели И²Л-схем могут превзойти комплексные показатели любых схем на основе кремния. Однако по быстродействию эти схемы уступают ТТЛШ и ЭСЛ-схемам.

Схемотехника И²Л не используется для производства логических элементов, так как эффективна в интегральных схемах высокой степени интеграции.

Поиск по сайту: