Цифровые интегральные микросхемы

При запирании транзистора (уменьшение Uвх до нуля) происходит зарядка емкости Cси через резистор R от напряжения источника питания E в течение времени tвыкл. Это время, как правило, больше времени включения, так как сопротивление нагрузочного резистора R значительно больше сопротивления канала транзистора в проводящем состоянии.

В комплементарном ключе заряд и разряд нагрузочной емкости происходит в одинаковых условиях через открытый проводящий канал. Это объясняется симметрией схемы относительно входного напряжения и нагрузки. Соответственно, интервалы времени tвкл и tвыкл примерно одинаковы и почти на порядок меньше, чем у обычного ключа на МДП-транзисторах. Это преимущество сохраняется и при уменьшении напряжения питания.

3. Цифровые интегральные логические элементы

В процессе развития интегральной электроники выделилось несколько типов схем логических элементов, имеющих достаточно хорошие характеристики и удобных для реализации в интегральном исполнении, которые служат элементной базой современных цифровых микросхем.

Базовые элементы, независимо от их микросхемотехники и особенностей технологий изготовления, строятся в одном из базисов (как правило, в базисе И-НЕ или ИЛИ-НЕ).

Базовые элементы выпускаются в виде отдельных микросхем, либо входят в состав функциональных узлов и блоков, реализованных в виде СИС, БИС, СБИС.

В процессе реализации базовые логические элементы строят из двух частей: входной логики, выполняющей операции И или ИЛИ, и выходного каскада, выполняющего операцию НЕ.

Входная логика может быть выполнена на диодах, биполярных и полевых транзисторах. В зависимости от этого различают:

транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ), (ТТЛШ),

интегральную инжекционную логику (И2Л),

логику на МДП-транзисторах (МДП),

МОП-транзисторная логика на комплементарных транзисторах (КМОП-логика).

В перечисленных группах логических элементов в качестве выходного каскада используется ключевая схема (инвертор).

Другая группа логических элементов основана на переключателях тока - эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ-логика).

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Основой транзисторно-транзисторной логики является базовый элемент на основе многоэмиттерного транзистора Т1 (рис. 17), который легко реализуется в едином технологическом цикле с транзистором Т2. В ТТЛ-логике многоэмиттерный транзистор осуществляет в положительной логике операцию И, а на транзисторе Т2 собран инвертор. Таким образом, по данной схеме реализован базис И-НЕ.

Рис. 17. Базовый элемент ТТЛ

В случае подачи на все входы схемы высокого потенциала, все переходы эмиттер-база транзистора Т1 окажутся запертыми так как потенциал в точке A примерно равен входным сигналам. В то же время, переход база-коллектор будет открытым, поэтому по цепи Eп - R1 - база Т1 - коллектор Т1 - база Т2 - эмиттер Т2 - корпус течет ток Iб нас, который открывает транзистор Т2 и вводит его в насыщение. Потенциал на выходе схемы оказывается близким к нулю (на уровне ? 0,1 В). Сопротивление R1 подобрано таким, чтобы, за счет падения напряжения на нем от тока Iб нас транзистора Т2, потенциал в точке A был бы ниже, чем потенциал входов, и эмиттеры Т1 оставались бы запертыми.

При подаче низкого потенциала логического нуля хотя бы на один из входов открывается этот переход эмиттер-база транзистора Т1, появляется значительный ток Iэ и потенциал в точке A, равный , приближается к нулевому. Разность потенциалов между базой и эмиттером Т2 также становится равной нулю, ток Iб транзистора Т2 прекращается, и он закрывается (переходит в режим отсечки). В результате выходное напряжение приобретает значение, равное напряжению питания (логической единицы).

Входные диоды Д1, … , ДN предназначены для демпфирования (отсечки) отрицательных колебаний, которые могут присутствовать во входных сигналах за счет паразитных элементов предыдущих каскадов.

Существенным недостатком рассмотренной схемы элемента И-НЕ являются низкие нагрузочная способность и экономичность ее инвертора, поэтому в практических схемах используют более сложный инвертор.

В конце 70-х годов началось широкое применение серий элементов на транзисторах Шоттки с повышенным быстродействием за счет уменьшения задержки выключения ключей. По принципу действия базовый элемент ТТЛШ аналогичен ТТЛ-элементу.

Необходимо заметить, что схемам ТТЛ и ТТЛШ свойственен большой логический перепад напряжений, равный

.

Интегральная инжекционная логика (И2Л)

Схемы И2Л не имеют аналогов в дискретных транзисторных схемах, т. е. характерны именно для интегрального исполнения. Основой И2Л элементов является инвертор (рис. 18), составленный из двух транзисторов.

Рис. 18. Базовый элемент инжекционной логики

Транзистор Т1 является транзистором n-p-n типа, а транзистор Т2 - p-n-p типа, причем одна из областей n_типа является как базой транзистора Т1, называемого инжектором (отсюда и название логики), так и эмиттером транзистора Т2, а база транзистора Т2 является коллектором инжектора. Функционально транзистор Т1 выполняет роль нагрузочного резистора, а Т2 - полупроводникового ключа.

Выходной транзистор - многоколлекторный, что обеспечивает развязку выходов друг от друга. Если ключевой транзистор предыдущей схемы открыт, то через него замыкается на корпус ток Iк транзистора Т1, заданный внешним источником тока, и не поступает в базу транзистора Т2, оставляя его закрытым.

Если же ключевой транзистор предыдущей схемы заперт, то ток Iк потечет в базу Т2 и вызовет его открывание. Таким образом рассматриваемый базовый элемент реализует операцию НЕ, принимая открытое состояние Т2 за нуль, а запертое - за единицу.

Соединив параллельно (рис. 19) два базовых элемента, можно получить реализацию базиса ИЛИ-НЕ.

Рис. 19. Реализация схемы ИЛИ-НЕ в логике И2Л

В качестве источников тока питания Iип служат генераторы токов на p-n-p транзисторах, включенных по схеме с общей базой. Из-за отсутствия в схеме резисторов и общих для обоих транзисторов областей p и n_типа схема очень технологична и в интегральном исполнении позволяет достичь плотности упаковки в 50 раз выше, чем при ТТЛ технологии.

При напряжении питания 1,5 В значение высокого потенциала порядка 0,7 В, а низкого - 0,05 В. Так как транзистор Т1 представляет высокоомную нагрузку, потребляемая элементом мощность может быть снижена до чрезвычайно низкой величины (раз в 100 меньше, чем у ТТЛ-элементов). Поэтому элементы И2Л нашли широкое применение в БИС (серии КР582, 584).

В сериях ИС невысокой степени интеграции логика И2Л не эффективна из-за низкого логического перепада, равного 0,65 В, и поэтому, низкой помехоустойчивости. Кроме того, по быстродействию, вследствие глубокого насыщения транзисторов инвертора, И2Л-элементы уступают ТТЛШ-элементам.

Логические элементы на МДП-транзисторах

В настоящее время в логических схемах используются МДП-транзисторы с диэлектриком SiO2 (МОП-транзисторы).

Анализ МОП-транзисторных логических элементов достаточно прост, т.к. из-за отсутствия входных токов их можно рассматривать отдельно от других элементов даже при работе в цепочке.

На рис. 20 показаны два варианта построения логических элементов на МОП-транзисторах с n_каналами.

а б

Рис. 20. Логические элементы на МОП-транзисторах: а) - элемент ИЛИ-НЕ, б) - элемент И-НЕ

Транзисторы Т3 выполняют роль нагрузки.

Логические уровни в обеих схемах не зависят от нагрузки и соответствуют выходным напряжениям открытого и закрытого ключа:

.

Соответственно, логический перепад составляет:

.

Напряжение питания Ec МОП-логики выбирают в 3…4 раза больше порогового напряжения Uo открывания транзисторов. Если Uo = 1,5 … 3В, то получаемый логический перепад в 5 … 10В намного превышает значения, свойственные схемам И2Л, ЭСЛ и даже ТТЛ (при напряжении питания 4 … 5В). Поэтому МОП-логика обладает повышенной помехоустойчивостью.

Более высоким быстродействием и низким энергопотреблением характеризуется логика на комплементарных транзисторах вследствие причин, рассмотренных ранее. По принципу действия и схемотехнике КМОП-логика очень близка МОП-логике.

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

В основе схемы ЭСЛ лежит переключатель тока, в одно из плеч которого включено параллельно несколько транзисторов. Эти транзисторы равноправны - отпирание любого из них (или всех вместе) приводит к изменению логического состояния переключателя. Поэтому ЭСЛ-элементы выполняют логическую функцию ИЛИ-НЕ.

Вследствие ненасыщенного режима работы транзисторов логический перепад в схеме не превышает 0,65В.

3.2 Параметры интегральных логических элементов

Независимо от принадлежности к той или иной серии, все логические элементы характеризуются определенным одним и тем же набором параметров, которые являются справочными данными. Значения же этих параметров обусловлены схемотехническим конструктивным и технологическим исполнением элементов.

Значения параметров, как правило, задаются с запасом и не исчерпывают физических возможностей микросхемы, однако превышать их не следует.

Оценивают микросхемы по следующим основным параметрам:

быстродействию, напряжению питания, потребляемой мощности, коэффициенту разветвления по выходу, коэффициенту объединения по входу, помехоустойчивости, энергии переключения, надежности, стойкости к климатическим и механическим воздействиям. Рассмотрим основные из них.

Уровни выходных напряжений

Статическая помехоустойчивость

Статической помехоустойчивостью по низкому уровню считают разность

,

где U0 вых max - максимальное допустимое напряжение низкого уровня на выходе нагруженной микросхемы;

U0 вх max - максимальное допустимое напряжение низкого уровня на входе нагружающей микросхемы.

Помехоустойчивость по высокому уровню определяют так:

;

здесь U1 вых min - минимальное напряжение высокого уровня на выходе нагруженной микросхемы; U1 вх min - минимальное допустимое напряжение высокого уровня на нагружающем входе.

Коэффициент разветвления по выходу

Этот параметр Краз (нагрузочная способность) определяет максимальное число входов элементов данной серии, которым можно нагружать выходы микросхемы без нарушения ее нормального функционирования.

Коэффициент объединения по входу

Коб определяет число логических входов, которые имеет логический элемент.

Входные токи

Средняя статическая потребляемая мощность

Быстродействие

Характеризуется максимальной частотой смены входных сигналов, при которой еще не нарушается нормальное функционирование устройства.

Инерционность полупроводниковых приборов и паразитные емкости служат причиной того, что каждое переключение сопровождается переходными процессами, отчего фронты импульсов растягиваются.

Для оценки временных свойств микросхем обычно пользуются задержкой распространения сигнала, которая представляет собой интервал времени между входным и выходным импульсами, измеренными на уровне 0,5. Задержки распространения сигнала при включении t1,0зд.р. и при выключении t0,1зд.р. не равны, поэтому пользуются усредненным параметром tзд.р. ср. = 0,5(t1,0зд.р. + t0,1зд.р.).

Для последовательностных устройств (триггеры, счетчики и др.) вводятся некоторые дополнительные временные параметры, обусловленные принципом действия: разрешающее время, длительность входного импульса и др.

В общем случае анализ физических, технологических и схемотехнических особенностей интегральных логических элементов показывает, что можно создать различные их варианты, но их особенностью будут либо относительно высокое (высокое) быстродействие при низкой экономичности, либо высокая экономичность при относительно низком (низком) быстродействии. Обобщенные характеристики известных типов интегральных логических элементов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11