Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Выходное напряжение И выхVT 3 • Назначение=u0 опретранзистозаключается в том, чтобы поддерживать закрытое соVT 4при понижении выходного напряжения.Через резисторR3протекает базовый токцесса рассасывания. Резисторпульсного токаVT 4 присостояние Ивых = И 1 •R4VT 3во время прослужит для ограничения импереключении из состояния Ивых=u0 вНагрузочная способность элемента ТТЛ со сложным инвертором в состоянии Ивых=И 1 за счетVT 4больше примерно в ~ 4 разпо сравнению с простейшим элементом ТТЛ на рис.9.12.Выходная характеристика элемента ТТЛ со сложным инвертером(рис.9.13,б сплошная линия) подобна по форме выходным характеристикам обычных инверторов (ключей), но идет выше, поскольку в этом случае Ивых больше из-за более высокого напряжения источника питания Иип· Однако эта характеристика идет болееполого при некоторых значениях Ивх (участок А на рис.9.13, б).Пологий участок А выходной (передаточной) характеристики можно скорректировать за счет замены резистораR3болеесложной корректирующей цепью, включающей, помимо резисторов, также и добавочн:i:нй транзистор.
В результате выходнаяхарактеристика на рис.9.13,б примет на участке А форму, соответствующую пунктирной кривой.Логический элемент со сложным инвертором занимает большую площадь на кристалле, чем элемент на рис.9.12, и потребля-Раздел264ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ2.ет большую мощность, поэтому его применение ограниченоцифровыми ИС малой и средней степени интеграции. Для-И 0 пповышениябыстродействияэлементов·ттл в них используюттранзисторысдиодомШоттки или ЛЭ эмиперно-связаннойРис.логикительной-инпрых9.14(ЭСЛ),отличиособенностью ·кото-являетсяиспользованиепереключателя тока (см.
гл.8)с транзисторами, работающими в активном режиме, что исключает режим насыщения и связанное с ним рассасывание носителей,уменьшает временную задержку и повышает быстродействие.Простейшими элементами ЭСЛ являются элементы малосигнальной эмиперно-связанной логики (МЭСЛ) (рис.которые9.14),используются во внутренних цепях средних интегральных схем(СИС) или БИС.Приведенная схема содержит два входныхтранзистора vтвхl и vтвх2 (в действительности их может бытьбольше) и генератор тока в форме токозадающего резистора Rэ.Эмиттеры всех транзисторов соединены (связаны), что и определяет название логики ЭСЛ. Особенностью применения МЭСЛявляется использование отрицательного напряжения питания-Иип• что ос.Лабляет влияние его изменения на уровниВ схеме рис.9 .14на инверторном выходеская функция ИЛИ- НЕфункция ИЛИ----+ивыходные----+ F 1 =F 2 =А+Аu0 и И 1 ~1 реализуется логиче-+ В, а на прямом выходе 2 -В.
Опорное напряжение И 0 п, входныенапряженияимеютотрицательнуюполярностьиз-за отрицательной полярности напряжения источника пита0ния Иип· При Ивх = U < -U0 п транзисторы VTвxl и VТвх 2 закрыты, а VТ 0 п -открыт. Напряжение на инверсном выходе1 равно1И и определяется падением напряжения на резисторе в коллекторной цепи опорного транзистора при протекании выходноготока Jвых в нагрузке, т.
е. И 1 = -I;ыхRк = niэRк/(~+ 1) (~ -коэффициент передачи тока последнего ЛЭ). Это напряжение снижается с ростом числа нагрузок (п), что ограничивает нагрузочную способность этого элемента ЭСЛ в состоянии Ивых =·в коллекторной цепи открытого опорного транзистораVT опИ1 •про-Главатекает ток Iк:::::: Iэ=9.Цифровые интегральные схемы-(Иип-пряжение на пр.ямом выходеИ 0 п - Ивэ)/Rэ,2 равно265следовательно, на(9.5)Если Ивх=И 1 , то соответствующие входные транзисторы, кудаподано это напряжение, открываются, аИз(9.6) видно,VT оп закрываете.я,тогдачто напряжение низкого уровня И~ыхl (логический О) на инверсном выходе уменьшаете.я при росте входного напряжения из-за роста токаIэ• при этом на пр.ямом выходеИБЫХ = и;ыхl.Логический перепад Ил дл.я МЭСЛ составляет всего0,3 ... 0,5 В.Из-за такого малого логического перепада элементы МЭСЛ имеют сравнительно низкую помехоустойчивость.
Потребляема.ямощность практически одинакова дл.я обоих состояний ЛЭ, поскольку ток Iэ мало изменяете.я при переключении.Дл.я повышения быстродействия элементов МЭСЛ необходимоуменьшатьемкостир-п-переходов,паразитныеемкостипроводников, сопротивление базы, ограничивать число нагрузок и увеличивать граничную частоту транзисторов.В случае повышенной емкости нагрузки (Сншом числе нагрузок(>10)> 10 пФ)и больв быстродействующих ИС применяют более сложные элементы ЭСЛ (рис.9.15).Схема на рис.9.15по сравнению с рассмотренной ранее содержит дополнительноРцс.9.15Раздел2662.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫдва выходных эмиттерных повторителяVT э.п с резисторами Rэ.п ..Принцип работы этой схемы такой же, как и ранее рассмотренной, однако их основные свойства могут сильно различаться.Из-за большего напряжения питания элементы этой ЭСЛ посравнению с рассмотренными в МЭСЛ имеют больший логический перепад, лучшие помехоустойчивость и нагрузочную способность, большие Допустимую емкость нагрузки, потребляемую мощность и занимаемую на кристалле площадь.
ЭлементыЭСЛ с эмиттерными повторителями применяются в сверхбыстродействующих цифровых микросхемах малой и средней степеней интеграции.Многих из перечисленных недостатков лишены логическиеэлементы, построенные на основе интегральной инжекционной логики (И2Л), которые не имеют аналогов в дискретных транзисторных схемах и выполняются только в интегральном исполнении.Характерной особенностью схем И 2 Л является индивидуальное питание базы каждого транзистора от индивидуального генератора тока. В конструкциях БИС с инжекционным питанием используются сложные биполярные структуры, в которыхсовмещаются области многоколлекторных транзисторов типовп-р-п ир-п-р (см.
гл.7).В силу таког.о совмещения и переплетения большого количества элементов ИС для ЛЭ И 2 Л не существуют (не используются) принципиальные электрическиесхемы. Как правило, их работа описывается с помощью эквивалентных схем. Индивидуальные генераторы тока реализуются чаще всего с помощью МКТ, включенных по схеме с ОБ. Нарис.9.16схемаизображенадвухных ЛЭ[6],эквивалентнаяпосшщовательновключенгде VТт двухколлекторныйтокозадающий транзистор р-п-р, подсоединенный черезтокозадающийрезистор Rи к цепи питания, явлцющейсяобщей для всего кристалла БИС. Токозадающийтранзисторобычноявляетсямногоколлекторным с числом коллекторов п, доходящим до нескольких сотен.ТранзисторVTтзадаетпостоянныетоки aN,Jи в базы п-р-п-тра:нзисторовVTпlРис.9.16иVTп 2 ,гдеIи-ток инжектора,приходящийся на один логический эле-Глава9.267Цифровые интегральные схемымент.
Транзисторы VТп 1 и VТп 2 называются переключательными ивключены по схеме с ОЭ, а токозадающий VТт-по схеме с ОБ.Термин (jинжекционное питание» означает, что питающиетоки образуются за счет инжекции неравновесных дырок в эмиттерную область инжектора через инжекторный р-п-переход,напряжение на котором составляет О, 7 ."0,8 В (при Ттоки питанияIпI п одинаковы0= 25 °С);и равны= СХнJи·Если на вход VТп 1 подано напряжение Ивхl = И 0 ~О, определяемое насыщенным (открытым) транзистором предыдущегологического элемента, то ток I п этого элемента ответвлЯется вовнешнюю цепь (в цепь предыдущего ЛЭ), транзистор VТп 1 закрыт И его ТОК базы равен нулю.
:КолЛеКТОрНЫЙ ТОК VTпl ТОЖеравен нулю и весь ток Iп генератора тока течет в базу транзистора vтп2 (он открыт и его прямое напряжение база-эмиттер равно0,5".0, 7 В).На выходе VТп 1 (коллектор этого транзистора)будет такое же напряжение. Это напряжение соответствует И 1 ,т. е. при ивхl=и0 на выходе транзистора vтпl будет ивых=И1 •При Ивхl = И 1 ток I п втекает в базу VT пl, поскольку И ~х определяетсяколлекторнымнапряжениемзакрытого транзисторапредыдущего ЛЭ. Транзистор VТп 2 открыт, и ток в его коллекторной цепи равен тожеI п•поскольку он вытекает из входаvтп2• т.
е. в ЭТОМ случае для vтпl МЫ имеем IвторVT пl= Iк = Iп,транзиснаходится в режиме насыщения, и напряжение на еговыходе равно И выхlвторого выхода= U 0 • Аналогичная ситуация будет и дляVT пl,если к нему подключены последующиеЛЭ. Таким образом, логическая операция инверсии выполняется по всем выходам.Входная характеристика рассмотренного элемента И вэ= f(I в)при заданном токе инжектора аналогична по форме, а приIи=Осовпадает с характеристикой обычного транзистора. При увеличении !и характериртика, сохраняя форму, сдвигается по осиабсцисс в левую сторону.
Рабочая область характеристик располагается при Iв <О. При заданном токе инжектора значениеИвэ=И 1 для Iв =О. Структура, в которой реализована эквивалентная схема на рис.9.16,имеет низкие значения коэффици-Раздел268ента передачи ~п2.= 5 ... 10ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫпереключательного транзистора из-заего инверсного включения. Минимальный логический перепаддля рассматриваемого элемента составляет Ил=(5 ...
6)<\)т·К каждому выходу ЛЭ может быть подсоединен только одиннагрузочный элемент, следовательно, нагрузочная способностьравна числу коллекторов переключательного транзистора. Число коллекторов {п) ограничено коэффициентом ~' которыйуменьшается пропорционально 1/п, и ростом сопротивлениябазы, что приводит к увеличению падения напряжения на нем сувеличением п, а это вызывает неравномерное смещение эмиттерного р-п-перехода. Типичные значения п =специальных структур эта величина может быть2 .. .4, но10 ... 20.дляСредняя мощность Рср• потребляемая элементом И 2 Л, равнаР ер=И Иэ I и• где И Иэ-прямое на11р.яжение на инжекторномр-п-переходе.
Величиuа Рср определяется токозадающим резистором Rи, который обычно размещают вне микросхемы. Изменяя Rи или Иип• можно в пределах трех-четырех порядков регулировать ток питания ЛЭ, мощность и быстродействие.Минимальная средняя задержка, т. е. максимальное быстродействие, определяете.я временем рассасывания носителей в областях переключательного транзистора. Для рассматриваемойструктуры наибольший заряд неосновных неравновесных носителей (дырок) накапливается в высокоомном эмиттерном слоевследствие инжекции дырок из базовой области в режиме насыщения переключательного транзистора.
Минимальная средняязадержка определяете.я эффективным временем жизни дырок исоставляет10 ... 20 нс.Низкое быстродействие таких ЛЭ .является их главным недостатком. В связи с этим было предложенобольшое число новых структур И 2 Л с повышенным быстродействием, например структура элемента с диодами Шоттки двухтипов и структуры, создаваемые путем многократных операцийсовмещения.
Такие структуры перспективны для использования в цифровых СБИС, поскольку обеспечивают минимальнуюзадержку, не превышающую~0,03 ... 0,05 пДж1нс, и энергию переключенияв режиме малых токов инжектора. ЭлементыИ 2 Л отличаются от других элементов на биполярных транзисторах малой потребляемой мощностью и малой занимаемой площадью на кристалле при большой средней задержке и плохойпомехоустойчивости.Глава9.9.6. ЛогическиеЦифровые интегральные схемы269элементы на полевых транзисторахОчень большое входное сопротивление МДП -транзисторовпозволяет создавать ЛЭ динамического типа с малой площадьюна кристалле и малой потребляемой мощностью при относительно низком быстродействии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
