62843 (Проектирование сложных логических структур на МДП-транзисторах)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КАФЕДРА РЭС

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

Проектирование сложных логических структур на МДП-транзисторах

МИНСК, 2009

По схемотехнической реализации ЛЭ двухступенчатой логики, выполняемые на биполярных транзисторах подразделяется на:

• Диодно-транзисторные (DTL-2);

• Транзисторно-транзисторные (TTL);

• Транзисторно-транзисторные с диодами Шотки (TTL-S);

• Транзистор-транзисторно-транзисторные (T-TTL).

Диодно-транзисторные ИМС (DТЛ-2)

На рис. 1 приведена схема функционального элемента диодно-транзисторной логики, реализующая двухступенчатую функцию И-ИЛИ-НЕ. Реализация логической операции И и ИЛИ в микросхемах DТЛ-2 осуществляется на диодах, а операция НЕ выполняется на транзисторном усилителе-инверторе. Для увеличения логических возможностей по входам И и ИЛИ применяются специальные расширители функций И и ИЛИ.

На смену диодно-транзисторным пришли более совершенные ИМС транзисторно-транзисторной логики.

Транзисторно-транзисторные ИМС (TTL)

В базовом TTL-элементе логические операции осуществляются транзисторами, чем определяется название типа логики: транзисторно-транзисторная.

Разработка технологии изготовления многоэмиттерного транзистора (МЭТ), который легко реализуется методами интегральной технологии, послужила определяющим фактором в создании ряда серий ИМС транзисторно-транзисторной логики. Многоэмиттерный транзистор представляет собой интегральный элемент, объединяющий преимущества диодных логических схем и транзисторного усилителя. Его база через резистор соединена с положительным зажимом источника питания, эмиттеры являются входами элемента, а в цепь коллектора включен эмиттерно-базовый переход следующего транзистора. Потенциал базы МЭТ выше потенциала коллектора, поэтому коллекторный переход МЭТ открыт. Режим эмиттерного перехода зависит от ситуации на входах элемента. Если хотя бы на одном входе присутствует низкий потенциал лог. 0 (например X₁=0), то потенциал эмиттера меньше потенциала базы U_б — эмиттерный переход открыт. Таким образом, оба перехода открыты, и он насыщен. При этом практически весь ток базы проходит в цепь эмиттера, а напряжение U_к (МЭТ) на коллекторе составляет доли вольта.

Если же на всех входах элемента высокий потенциал (X₁=X₂=1), то U_э>U_б; эмиттерный переход закрыт и ток базы (МЭТ) переключается в цепь коллектора (напряжение на котором составляет около 2 В).

Повторяя структуру диодно-транзисторных ИМС, транзисторно-транзисторные ИМС (рис. 2) позволили значительно увеличить быстродействие (до 20 МГц), повысить уровень помехоустойчивости (Uп=0,7 В), снизить потребляемую мощность.

Выходные усилители TTL-микросхем с симметричным транзисторным выходом обеспечивают высокую нагрузочную способность базовой схемы (n=10) при значительных емкостях нагрузки (С_н=100 пФ). При проектировании аппаратуры на TTL-микросхемах необходимо учитывать, что их выходные каскады в динамическом режиме потребляют мощность в 2…3 раза больше, чем в статическом режиме. Это объясняется появлением значительных импульсных токов на фронтах сигналов.

Одним из наиболее важных достижений в технологии изготовления TTL-ИМС явилось применение диодов Шотки, включение которых между базой и коллектором транзисторов позволило резко повысить быстродействие за счет устранения режима насыщения транзисторов. Обычно структуру диода Шотки со связанными с ним коллектором и базой транзистора называют транзистором Шотки. Она практически полностью повторяет конфигурацию TTL-вентиля, но имеет в 2…3 раза большее быстродействие.

Дальнейшее совершенствование схемотехники TTL с диодами Шотки привело к созданию модификации диодно-транзисторных маломощных ИМС с транзисторами Шотки и логическими диодами Шотки на входе. Схема такого элемента И-НЕ, получила название маломощного TTL-элемента с транзисторами Шотки. Ее особенность состоит в том, что за счет применения быстродействующих диодов Шотки с малым падением напряжения на переходе в открытом состоянии входные многоэмиттерные транзисторы традиционных TTL-ИМС заменены диодными вентильными сборками, что позволило уменьшить площадь вентиля на кристалле при сохранении высокого быстродействия. Потребляемая мощность таких вентилей в 5…10 раз меньше. Этот фактор обеспечил широкое применение маломощных TTL-элементов с диодами Шотки.

Совершенствование технологических приемов, размеров транзисторов и методов проектирования позволили достигнуть для TTLШ-ИМС задержку 1-2 нс на вентиль, что соответствует уровню ECL-ИМС при меньшей в 2…3 раза потребляемой мощности на вентиль.

Т ранзистор-транзисторно-транзисторные ИМС (T-TTL)

Микросхемы транзистор-транзисторно-транзисторной логики относятся к разряду логических микросхем, выполненных на основе модернизации типовых TTL-ИМС. На рис. 4 приведена базовая схема элемента T-TTL, реализующая двухступенчатую логическую функцию с запретом НЕ, И-ИЛИ. Логическая операция И с запретом выполняется на транзисторах, управляемых по базе и эмиттеру, а функция ИЛИ реализуется на МЭТ. В схемах с большим числом входов ИЛИ увеличивается число эмиттеров у МЭТ, но число МЭТ не изменяется. Это создает определенные технологические преимущества T-TTL-элементов перед сложными TTL-элементами, у которых число МЭТ всегда равно числу входов ИЛИ. Наличие запрещающего входа по эмиттеру в схеме И открывает широкие возможности при построении цифровых устройств на основе совместного использования T-TTL и TTL-элементов, которые имеют электрическое согласование.

В ряде случаев T-TTL-элементы полностью заменяют TTL, позволяя более экономично реализовать сложные функциональные узлы. Существование прямых и инверсных входов в T-TTL-элементах позволяет увеличить их нагрузочную способность за счет одновременной работы на группы входов разного вида. Действительно, прямые входы (базы транзисторов) являются потребителями тока, а инверсные входы — источниками тока для выходного усилителя T-TTL-элемента. Поэтому в состоянии логической 1 (высокий уровень на выходе) схема будет отдавать ток, а в состоянии логического 0 потреблять ток от нагрузки. Поскольку ток одного прямого входа меньше тока, потребляемого от инверсного входа, то суммарный ток нагрузки выхода в состоянии логической 1 мал и не снижает высокого уровня на выходе T-TTL-элемента.

Недостатками T-TTL-элементов считают низкий уровень статической помехоустойчивости и увеличенное время задержки переключения при управлении по прямому (базовому) входу элемента НЕ, И.

Существует другая модификация T-TTL-элементов без использования базовых входов. В качестве примера на рис. 5 приведена схема элемента, выполняющего функцию И-ИЛИ. Особенностью схемы является выполнение функций как ИЛИ так и И на многоэмиттерных транзисторах. Поступление логической 1 на все входы МЭТ схемы И (например, на входы X₁,X₂) приведет к отпиранию коммутирующего транзистора VT₂. Транзистор VT₅ будет открыт, а выходной усилитель заперт, и на выходе Y сформирован уровень логической 1. При поступлении логической 1 на VT₄ отпирается коммутирующий транзистор VT₃ и вновь на выходе Y будет уровень логической 1. Управление элементами по входу ИЛИ осуществляется сигналом с уровнем логического 0. Диод в эмиттерных цепях коммутирующих транзисторов обеспечивает необходимый уровень помехоустойчивости по входам И.

Выполнение схемы И на основе МЭТ позволяет увеличить число логических входов путем увеличения числа эмиттеров.

Элементы T-TTL совместно с элементами TTL обеспечивают высокую гибкость проектирования и построения экономичных схем цифровых узлов.

В заключение отметим основные положительные качества элементов T-TTL:

1. наличие прямых и инверсных входов позволяет исключить ряд промежуточных инверторов при реализации сложных функций;

2. простота реализации триггеров однофазного типа, которые обеспечивают уменьшение числа входов, выходов и коммутационных связей при создании БИС;

3. обеспечивается двойная нагрузочная способность при работе на прямые и инверсные входы схем НЕ, И-ИЛИ одновременно;

4. существенно снижается потребляемая мощность в схемах НЕ, И-ИЛИ с большим числом входов по ИЛИ;

5. обеспечивается электрическое согласование с элементами TTL-ИМС и создание экономичных цифровых узлов при совместном использовании TTL и T-TTL-ИМС;

6. значительно снижается потребляемая мощность T-TTL-элементов и повышается быстродействие при использовании диодов Шотки.

Логические элементы на полевых транзисторах

Широкое практическое применение при разработке логических схем получили полевые транзисторы с МДП-структурой.

В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы по принципу действия являются аналогами электронных ламп, так как управляются напряжением. Условное Графическое обозначение МДП-транзистора приведено на рис. 6.

Подавая на затвор МДП-транзистора напряжение различного уровня, можно модулировать сопротивление канала сток-исток, то есть изменять значение тока в канале при постоянном напряжении на стоке.

Различают МДП-транзисторы двух типов проводимости: p- и n- типа.

МДП-транзисторы p-типа отпираются при отрицательном, а n-типа – при положительном смещении напряжения затвора относительно стока.

Логические схемы на МДП-транзисторах p-типа с заземленным истоком требуют отрицательного напряжения питания (схемы отрицательной логики). Логические схемы на МДП-транзисторах n-типа с заземлением требуют положительного питающего напряжения (схемы положительной логики). При построении логических элементов на основе дополняющих МДП-транзисторов с каналами р- и n-типов (КМДП-ИМС) возможно создание схем как положительной, так и отрицательной логики.

Комплементарной (то есть взаимодополняющей) считают пару полевых транзисторов, имеющих одинаковые характеристики, но противоположную полярность питающих напряжений, сигналов управления и токов исток-сток.

Если такую пару соединить следующим образом (рис 7):

(обратите внимание, верхний транзистор «перевернут») то: при напряжении на объединенном затворе (входе), равном 0 В, верхний транзистор будет открыт, а нижний закрыт и на выходе схемы будет , так как у открытого транзистора сопротивление исток-сток мало, а у закрытого велико (разрыв цепи исток-сток). При U_BX = 1 наоборот.

На рис. 8 приведены четыре варианта выполнения простейших элементов-инверторов на МДП-транзисторах: n-типа (рис. 8,а), р-типа (рис.,б) и на дополняющих транзисторах (рис., в, г). Для схем на дополняющих транзисторах полярность логики зависит от последовательности включения транзисторов р- и n-типов. Если транзистор n-типа непосредственно подключен к общей шине, а транзистор р-типа к источнику питания (рис. 8, г), то элемент работает в режиме положительной логики (уровню логической 1 соответствует U, а уровню логического О соответствует 0 источника питания).

Если транзистор р-типа непосредственно подключен к общей шине, а транзистор n-типа - к источнику питания, то элемент работает в режиме отрицательной логики (уровню логической 1 соответствует «-U», а уровню логического 0 соответствует 0 источника питания).