62584 (695098), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

а) схема элемента И-ИЛИ-НЕ;б) функциональное обозначение

Необходимо отметить, что ЛЭ может работать в двух логических режимах. При высоком уровне сигнала, принятом за логическую единицу (1), осуществляется так называемая положительная логика работы элемента. Если за логическую 1 принять низкий уровень, то имеет место отрицательная логика. В этом случае ЛЭ реализует операцию И-НЕ. Такое преобразование логики работы элементов в зависимости от принятой полярности сигнала логической 1 характерно и для всех других типов потенциальных микросхем.

Транзисторные ИМС с непосредственной, резистивной и резистивно-емкостной связью (DCTL, TRL, RCTL)

Транзисторные ИМС с непосредственной связью являются одним из основных схемотехнических направлений. Наиболее широко эта схемотехника применяется в ИМС на основе МДП-структур. Возможна также реализация транзисторных ИМС с непосредственными связями на основе биполярных транзисторов (Рис. 3).

Рис 3. Схемы ЛЭ: а)TRL; б)DCTL; в)RCTL; г) расширитель ИЛИ; д) функциональное обозначение

Включение компенсирующих резисторов в базовые цепи транзисторов ЛЭ (рис.

3, а) позволило значительно снизить рабочие токи и потребляемую мощность в TRL-ИМС. На основе элементов TRL были разработаны серии микромощных ИМС с . Однако включение компенсирующих резисторов существенно снизило предельное быстродействие микросхем до 1 МГЦ, но в тоже время обеспечило высокое значение параметров n и m (n>4 и m>8). Для повышения быстродействия элементов TRL параллельно базовому резистору были включены форсирующие конденсаторы (рис. 3, в). Микросхемы такого типа получили название транзисторных ИМС с резистивно-конденсаторными связями (RCTL). Предельное быстродействие элементов такого типа повысилось до 5 МГц при сохранении значений параметров n и m.

Несмотря на очевидные преимущества RCTL-ИМС не получили распространения из-за сложности их изготовления, так как создание идентичных и стабильных емкостей методами интегральной технологии является сложной задачей. Конденсаторы, выполненные на основе короткозамкнутых p-n переходов, занимают большую площадь и имеют значительный разброс характеристик, что снижает степень интеграции и процент выхода годных ИМС в производстве.

Расширение функциональных возможностей ИМС

Функциональные возможности ИМС определяются:

1. выполняемой логической функцией;

2. коэффициентом объединения;

3. нагрузочной способностью элемента.

Для транзисторной логики наиболее высокая нагрузочная способность достигается у TRL-ИМС (m=8…12 и n=4…5). Однако часто при синтезе конкретных цифровых устройств требуется увеличение параметра n у отдельных ИМС до 16…20, а параметр m может изменяться в пределах 1…12.

Подключение к основной логической схеме расширителей позволяет увеличивать емкость нагрузки ИМС (точка К на рис. 3, г), но приводит к снижению их быстродействия.

Для увеличения нагрузочной способности в состав серии микросхем включаются буферные ИМС, представляющие собой усилители мощности. Для обеспечения высокого быстродействия буферного усилителя, соответствующего быстродействию основных микросхем серии, применяется симметричный транзисторный выход.

Буферные усилители обеспечивают нагрузочную способность n>20 и работают при нагрузках C_н>100 пФ (допустимая емкостная нагрузка на основную вентильную схему обычно не превышает 30 пФ). Буферная ИМС может выполнять не только усилительные, но и логические функции за счет параллельного включения m-транзисторов на входе и выходе.

Диодно-транзисторные ИМС (DTL)

Базовые функциональные элементы (рис. 4) диодно-транзисторных ИМС реализуют типовую логическую функцию И-НЕ (для положительной логики). При этом функцию И выполняют диодные группы, а функцию усилителя-инвертора-транзисторные схемы.

Известны две наиболее распространенные разновидности DTL-ИМС:

1. ИМС с однотранзисторным усилителем на выходе;

2. ИМС с усилителем на составном транзисторе (усилитель Дарлингтона).

Базовые элементы И-НЕ для двух указанных групп DTL-ИМС приведены на рис. 4, а, б соответственно.

Применение усилителя на составном транзисторе позволяет снизить требования к коэффициенту усиления интегральных транзисторов, а также расширить температурный диапазон работы DTL-ИМС.

Модифицированные DTL-ИМС со свободным коллектором позволяют простым способом реализовать двухступенчатую логическую функцию И-ИЛИ-НЕ за счет объединения коллекторов выходных транзисторов.

Общим свойством описанных микросхем является использование нелинейного режима работы активных элементов. Усилители логических схем характеризуются надежным запиранием транзисторов в одном логическом состоянии и насыщением транзисторов в другом.

Режим насыщения не позволяет полностью использовать высокие частотные свойства транзисторов в микросхеме, так как основная задержка определяется длительным рассасыванием заряда при включении насыщенного транзистора.

В связи с разработкой новых поколений ЭВМ встал вопрос о создании ИМС с быстродействием более 50 МГц. Этим требованиям удовлетворяют ИМС с эмиттерными связями (ECL-ИМС), имеющие высокие динамические параметры.

ИМС с эмиттерными связями (ECL)

В базовом ECL-элементе ИЛИ, ИЛИ-НЕ обе логические операции (ИЛИ, НЕ) выполняются эмиттерно-связанными транзисторами, чем и обусловлено название типа логики. Элемент имеет два выхода, на одном из которых фиксируется результат операции ИЛИ, а на другом — операции ИЛИ-НЕ. Обозначают такой элемент ИЛИ, ИЛИ-НЕ.

Особенностью микросхем транзисторной логики с эмиттерными связями (ECL) является ненасыщенный режим работы транзисторов, что обеспечивает их высокое быстродействие. Вентильная ECL-ИМС выполняется на двух переключателях тока (рис. 5). Один из них, нормально открытый, реализован на транзисторе, на базу которого подано отпирающее напряжение U₀. Уровень U₀ ниже минимального уровня логической 1. Второй переключатель тока состоит из m (по числу логических входов) транзисторов, имеющих общие коллекторы и эмиттеры, что обеспечивает реализацию функции ИЛИ. При отпирании любого транзистора второго переключателя тока, повышается уровень напряжения на общем эмиттерном резисторе R₀ и обеспечивается запирание первого переключателя тока, что приводит к формированию на выходе Y высокого уровня (логическая 1), в то время как на выходе формируется низкий уровень (логический 0). Следовательно, по выходу реализуется функция ИЛИ-НЕ, а по входу Y — логическая функция ИЛИ.

а

б

в

Рис. 5. Логический элемент с эмиттерными связями (ECL):

а – схема ИЛИ, ИЛИ-НЕ;

б – функциональное обозначение; в – расширитель функции ИЛИ

Выполнение выходных каскадов логической схемы на эмиттерных повторителях (выходное сопротивление 30…50 Ом) обеспечивает большую нагрузочную способность базового элемента (n>10). Кроме того, при наличии эмиттерных повторителей смещается выходной уровень 1 элемента на величину падения напряжения на переходе кремниевого транзистора (U_бэ=0,7…0,8 В), создавая условия для ненасыщенного режима работы транзисторов последующей логической группы.

Рис. 6. Логический элемент ECL с мощным выходом:

а) схема элемента ИЛИ, ИЛИ-НЕ;

Транзисторы выходных эмиттерных повторителей работают в ненасыщенном режиме, так как напряжение на коллекторе всегда выше напряжения на базе и переходы коллектор-база никогда не оказываются смещенными в прямом направлении. Перепад напряжений логических уровней 1 и 0, как правило, находится в пределах 0,7…0,8 В, а помехоустойчивость составляет 0,15…0,2 В. За счет низкого выходного сопротивления уровень помех в линиях связи между элементами невысок, а постоянная токовая нагрузка элемента не вызывает всплесков напряжения в цепях питания. Наличие двух парафазных логических выходов в ECL-ИМС обеспечивает большую гибкость при проектировании цифровых устройств.

Увеличение коэффициента объединения по входам ИЛИ осуществляется за счет подключения к базовой ECL-ИМС логического расширителя. Однако на практике стремятся избежать применения логических расширителей, подключение которых существенно снижает быстродействие ИМС из-за значительных паразитных емкостей, что ограничивает параметр m в ECL БИС.

Для обеспечения высокой нагрузочной способности в состав серий ECL-ИМС включаются, микросхемы с мощным выходом (рис. 6), обеспечивающие n>30 при C_н>100 пФ. Возможна реализация ECL-ИМС, выходной каскад которой выполнен в виде повторителя со свободным эмиттером. Такая реализация выхода позволяет подключать в качестве нагрузки микросхемы с различными входными сопротивлениями. Это обеспечивает расширение логических возможностей по ИЛИ за счет объединения выходов ИМС без применения логических расширителей.

В качестве ЛЭ, дополняющих функциональные возможности типовых ECL-ИМС, применяются ИМС эмиттерной функциональной логики (EFL). Их особенностью является применение многоэмиттерных транзисторов (МЭТ), реализующих безынверсную функцию (рис. 7).

Рис. 7. Логический элемент ELF: а) схема элемента И;

б) функциональное обозначение

Применение в качестве выходного каскада элемента многоэмиттерного транзистора позволяет осуществлять соединение типа проводное ИЛИ и обеспечивает распараллеливание нагрузки.

Комбинация элементов EFL (функции И) с элементами ECL (функции ИЛИ-НЕ), которые хорошо согласуются в кристалле технологически и электрически, позволяет создавать узлы БИС с минимумов активных компонентов и более высоким функциональным быстродействием.

Большая потребляемая мощность элементов ECL является основным препятствием увеличения степени интеграции ECL-БИС, которая практически не может превысить 1000 вентилей в кристалле. При этом мощность рассеивания на кристалле может достигнуть 5…10 Вт, что потребует применения специальных конструктивных решений и систем охлаждения аппаратуры. Такими решениями могут быть теплоотводящие платы, радиаторы, охлаждающие жидкости и вентиляторы обдува, что значительно снизит эффект микроминиатюризации от внедрения БИС.

Важнейшее преимущество ECL-ИМС — наибольшее быстродействие по сравнению со всеми другими видами микросхем, а также высокая помехозащищенность благодаря значительным рабочим токам в цепях передачи информации определяют повсеместное применение ИМС в процессорах суперЭВМ с быстродействием до и более. К классу ECL (ЭСЛ) относятся, в частности, ИМС серий 100, 1500, 500.

Интегральные элементы инжекционной логики (И²Л)

Схемы интегральной инжекционной логики (ИИЛ), или И²Л-схемы, являются развитием схем с непосредственными связями (рис. 8).

Типовой И²Л-вентиль содержит транзисторную структуру n-p-n, включенную по схеме с общим эмиттером и выполняющую роль выходного инвертирующего усилителя, обеспечивающего развязку выходов для исключения их взаимного влияния, а также дополняющую транзисторную структуру p-n-p, включенную по схеме с общей базой и служащую для инжекции тока в базу выходного усилителя. Соответственно транзистор VT₁ называют инжектором, а VT₂ — инвертором (рис. 8, а). Эти транзисторы в многоступенчатой логической схеме совмещаются в объеме полупроводника, причем база транзистора p-n-p есть эмиттер транзистора n-p-n, а коллекторы транзисторов p-n-p есть базовые области транзисторов n-p-n. Это обеспечивает высокую плотность упаковки элементов инжекционных микросхем на кристалле.

Типовые многовходовые И²Л вентили с логикой ИЛИ-НЕ и И-НЕ приведены на рис. 8, в-е. Функция ИЛИ организуется объединением коллекторов выходных инвертирующих транзисторов, а функция И — подачей инверсных управляющих сигналов на входе и подключением дополнительного инвертирующего усилителя на выходе логической схемы.

Рис. 8. Логические элементы инжекционнои логики (И²Л):

а,б - схема инвертора и её функциональное обозначение; в,г- схема ИЛИ-НЕ и её функциональное обозначение;

д,е - схема И-НЕ и её функциональное обозначение

Работа инжекционной микросхемы может быть рассмотрена на основе логического вентиля ИЛИ-НЕ (рис. 8, в, г). При уровнях логического 0 на входах X₁, X₂ ток инжектора через многоколлекторный транзистор VT₃ не сможет поступить в базы транзисторов VT₁, VT₂ и они останутся запертыми, что приведет к формированию на выходе вентиля (Y₁ и Y₂) уровня 1. При поступлении логической 1 на любой из входов (это соответствует режиму запирания транзистора предшествующего каскада) инжектируемый ток через соответствующий коллектор транзистора VT₃ поступит в базу транзистора схемы ИЛИ-НЕ (при X₂=1 ток поступит в базу транзистора VT₂) и откроет его, что приведет к формированию логического 0 на выходах Y₁=Y₂=0. (Логику работы схемы И-НЕ (рис. 8, д, е) предполагается рассмотреть самостоятельно).

Быстродействие переключения инжекционных микросхем определяется током инжектора, увеличение которого до определенного значения позволяет уменьшить задержку срабатывания вентиля. Однако, при значительном увеличении тока инжектора из-за накопления больших избыточных зарядов в активных областях, задержка срабатывания резко возрастает.

Повышение быстродействия реализуется при уменьшении геометрических размеров транзисторов, увеличении коэффициентов усиления, а также при создании И²Л-ИМС с небольшими логическими перепадами уровней сигналов. Логический перепад можно снизить в 2…3 раза за счет применения диодов Шотки, включенных последовательно между выходом одного логического каскада и входом другого. Вариант включения диодов Шотки приведен на примере инвертора (рис. 9).

Рис. 9. Схема быстродействующего элемента И²Л с диодами Шотки (функция И-НЕ) (а) и его функциональное обозначение (б)

Важной проблемой проектирования БИС на инжекционных элементах является обеспечение необходимой помехоустойчивости. Типовые И²Л-вентили имеют низкую помехоустойчивость к запирающим помехам (менее 0,1 В), что предопределило их использование преимущественно во внутренних узлах БИС. Для повышения помехоустойчивости во входных каскадах БИС применяют вентили с несколькими включенными последовательно базовыми диодами Шотки (помехоустойчивость к запирающим помехам увеличивается в 2…3 раза).

В заключение отметим, что И²Л-схемы весьма перспективны для построения БИС. Так отечественные микропроцессоры К583, К584 выполнены на базе схемотехники И²Л.

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.

3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.

4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.

5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.

6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. - 160 с.

1 приводим общепринятые в мировой практике обозначения разновидностей ИМС

Характеристики

Список файлов реферата