Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 75
Текст из файла (страница 75)
В целом, развитие ТТЛ-элементов определялось совершенствованием процессов их изготовления. Внедрение изопланарной технологии привело к появлению новых вариантов ТТЛШ-элементов, получивших условные названия ГАБТ, АБ и АЬБ. УАБТ вЂ” это начальные буквы слов Уа1гсЫ)6 А«)запое«) Бпо(()су ТТЬ. Сокращение АБ происходит от слов Абчапсеб (с опережением) и Бпо(1)су, а буква Ь в наименовании АЬБ обозначает слово Ьом (низкий), т. е.
это маломощный вариант микросхем типа АБ. Интегральная инжекционная логика (ИзЛ). Схемы ИзЛ, иоявившиеся позднее других, не имеют аналогов в дискретных транзисторных схемах, т. е. специфичны именно для интегрального исполнения. Однако по существу они являются еще одной, наиболее совершенной модификацией схемы РТЛ.
Имеет смысл пояснить эту преемственность, так как внешне схемы ИзЛ выглядят несколько необычно и непосредственно не ассоциируются со схемами РТЛ. В схемах И Л удаляют (закорачивают) резисторы в базовых цепях и заменяют резисторы В„генераторами постоянного тока 1* (см. рис. 10.6, а и 10.2). Такая замена не влияет на принцвп действия ИЛЭ. Преимущества, связанные с заменой резистора на генератор тока, выяснятся позднее. А сейчас формально переместим все генераторы тока Глава 10.
Интегральные схемы «вправо» вЂ” к базам нагрузочных транзисторов (см. рис. 10.6, б). Очевидно, что это никак не повлияет на работу схемы. Наконец, переключим верхние зажимы генераторов тока с шины +Е, на «земляную» шину (рис. 10.6, е). Согласно теории цепей, такое переключение ие отразится на режиме транзисторов, поскольку ток генератора тока ие зависит от наличия или отсутствия последовательно включенных источников э.д.с. (в данном случае источника Е„).
Как видим, характерной особенностью схем ИгЛ является индивидуальное питание базы каждого транзистора от «своего» генератора тока. Часто зги генераторы для простоты опускают, и тогда схема принимает несколько странный вид (рис. 10.6, г): в ней как бы отсутствуют источники питания. +и« ! ! ! ! ТЗ! фг б) «) в) Рнс. 10.6. Происхождение логического»я«мента И'Л: з — замена резистора генератором тока в схеме РТЛ;  — перемещение генераторов тока ь бе«о- ные депн следующих логических эхенентоз; в — включение генератора тока между базой н общей «»емляной» шиной; » — схема И'Л (генераторы тока не обозначены) Индивидуальные генераторы тока осуществляются с помощью р — п-р-транзисторов, включенных по схеме ОБ (рис.
10.7, а). Такой вариант известен из равд. 9.11 (см. рис. 9.36, б). Как было показано, в таком варианте схемы р — и-р-транзистор формально работает в режиме двойной инжекции (насыщения), поскольку потенциал коллектора больше 421 10.2. Логические элементы на биполярных транзисторах нуля. Однако, если напряжение У„хотя бы на 0,1 В меньше, чем напряжение У„ то инжекция коллекторного перехода практически отсутствует и коллекторный ток остается неизменным, равным а1,.
В схемах ИзЛ меньшее значение У„по сравнению с У, обеспечивается благодаря малому значению Ву у р-л-р-транзистора. Из рис. 10.7, а видно, что эмиттеры и базы всех р — и-р-транзисторов оказываются соединенными друг с другом. Поэтому все р — п-р-транзисторы можно заменить одним многоколлекторным транзистором, что характерно для схем ИтЛ (рис. 10.7, б). Характерно также использование многоколлекторных л — р — и-транзисторов. »Е„ Т4 ~ б) о) Рис. 10Л. Осуществление генераторов тока с помощью индивидуальных р — л-р-транзисторов (а) н одного многоколлекторного р — л-р-транзнстора (б) Базы транзисторов Т2 и Тб на рис. 10.7, б управляются от разных коллекторов транзистора Т1.
Следовательно, базы «развязаны» друг от друга, а значит, исключена возможность неравномерного распределения тока между ними. В результате, использование многоколлекторных логических транзисторов существенно облегчает осуществление разветвленных связей между ИЛЭ в сложных цифровых ИС. Термин «инжекционное питание», принятый для данного типа ИЛЭ, оправдан тем, что питающие токи 1 получаются благодаря инжекции дырок через эмиттерный переход р — и — р-транзистора. Эмиттер, выполняющий функцию питания, принято называть инжекл»оролг и обозначать буквой И (рис. 10.7, б).
Поскольку напряжение Е„подключено непосредственно к инжекторному переходу, получаем Е„= У'. Малое Глава 10. Интегрвлъвые схемы напряжение питания — одно из важных преимуществ схем ИзЛ. Легко заметить, что это преимущество есть следствие замены резисторов генераторами тока. Как известно, подключать напряжение непосредственно к р-и-переходу нежелательно, так как при этом трудно обеспечить стабильное значение тока. Поэтому на практике последовательно е инжектором включают небольшое сопротивление. Тогда напряжение питания несколько превышает У* и составляет обычно 1-1,5 В. При логическом анализе схем ИзЛ обычно пользуются эквивалентной схемой на рис.
10.6, з, считая, что база транзистора либо замкнута на «землю» (если в предыдущем ИЛЭ один из транзисторов насыщен, Уэ = У ), либо «оборвана» (если в предыдущем ИЛЭ все транзисторы заперты, У~ = У*). В первом случае данный транзистор заперт, а ток 1* протекает через транзисторы предыдущего ИЛЭ.
Во втором случае ток 1* полностью протекает в базу данного транзистора и насыщает его. Пусть, например, на рис. 10.7, б насыщен транзистор Т2. Тогда в его базе протекает ток 1* от нижнего коллектора Тэ (так как транзистор Т1 заперт), а в коллекторе — ток 1* от верхнего коллектора Тз (так как транзистор Т4 тоже заперт; на его базе действует малое остаточное напряжение насыщенного транзистора Т2). Следовательно, 1ы = 1„э = 1". Условие насыщения (8.4) при этом имеет вид В1* > 1" или В>1. Как видим, требованил к коэффициенту усиления базового тока минимальные. Обычно это условие выполняется даже в микрорежиме, при токах 5 — 10 мкА.
Это еще одно важное преимущество схем ИзЛ, которое, наряду с малым напряжением питания, способствует резкому уменьшению потребляемой мощности. Логический перепад для ИзЛ около 0,7 В. Оригинальность схемотехнического решения сочетается в схемах ИзЛ с оригинальностью технологического решения. На рис, 10.8 показана структура ИэЛ-вентиля. Роль эмиттера, общего для всех и — р-л-транзисторов, играет эпитакеиальный л-слой вместе с а«-подложкой (последняя в сущности обеспечивает омический контакт с л-слоем). В схемах ИзЛ, вообще говоря„нет необходимости изолировать и-р — и-транзисторы друг от друга, так как общность эмиттерно- 10.2.
Логические злзмеиты иа биполярных транзисторах И к1 к Б Э Разрез ло линии А — А Рис. 1О.З. Структура н топология схемы И'Л го слоя не только не противопоказана, но и необходима по самой структуре схемы (рис. 10.6 и 10.7). Инжектор осуществлен в виде длинной р-полоски, выполненной на этапе базовой диффузии. Вазой р — и — р-транзистора является эпитаксиальный л-слой, а коллекторами — базовые р-слои и-р-и-транзисторов. Следовательно, р — л — р-транзистор имеет горизонтальную структуру (см.
рис. 7.21) и однородную базу, т.е. является бездрейфовым. Транзисторы л-р-л представляют собой «обращенные» многоэмиттерные транзисторы. В заключение просуммируем преимущества И Л: отсутствие изолирующих карманов (т.е, зкономия площади); отсутствие резисторов (и связанные с этим экономия площади, уменьшение напряжения питания, мощности, времени задержки); малая емкость коллектора (из-за малой площади пе-слоев). Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). В основе схемы ЭСЛ (рис. 10.3) лежит переключатель тока, рассмотренный в разделе 8.5.
Отличие от простого переключателя состоит в том, что в одно из плеч включено параллельно несколько транзисторов (Т1 и Т2 на рис. 10.9). Эти транзисторы равноправны в том смысле, что отпирание любого из них (или всех вместе) приводит к переключению тока 1з из правого плеча схемы в левое. Поэтому ЭСЛ, как и РТЛ, выполняет функцию ИЛИ вЂ” НЕ. 424 Глава 10. Интегральные сиены Рис. 10.0.
Логический элемент ЭСЛ Повторители Т4 и Т5 смещают уровни коллекторных потенциалов на величину У". Как известно, без такого смещения переключатели тока не могут работать совместно (см. рис. 8.14, где величина смещения обозначена через е).
Подставляя е = У* в (8.40) и полагая Б = 0,1 В, убеждаемся, что при наличии повторителей цепочка ЭСЛ работоспособна. Пусть на оба логических входа поданы запирающие нулевые уровни Ус. Тогда в соответствии с функцией ИЛИ вЂ” НЕ напряжение на выходе С будет единичным уровнем Ут. Иго легко найти, учитывая, что транзисторы Т1 и Т2 заперты, т.е. У„т= Е„. Вычитая напряжение на змиттерном переходе Т4„получаем: Ут = Ек — У*. (10. 9а) Пусть теперь на один из входов, например А, подан отпирающий единичный уровень У~. Тогда напряжение на выходе С примет значение Уо.
Положим, как и в разделе 8.5, что открытый транзистор находится на границе насыщения, т.е. У„,= Уст = У~. Вычитая У* и подставляя (10.9а), получаем: уе г оу (10. 9б) Используя выражения (10.9), найдем значение логического перепада: Ул = У* = 0 7 В. (10.10) Как видим, зто значение практически не отличается от значения, свойственного схеме ИзЛ. 425 10.2. Логические зл«меаты иа бипзляркых транзисторах Напряжение смещения Ео выбирается равным полусумме уровней Уо и У', т. е.
Ео = ń— з~'У . (10.11) При этом уровни Уо и У~ расположены симметрично относительно Ео на «расстоянии» + )з У . Рабочий ток 1о оценивается из равенства У„, = У~, обеспечивающего граничный режим открытого транзистора. Подставляя в это равенство У„1 = ń— а1оВ„и значение У' из (10.9а), получаем: сц ОВк (10. 12) Сопротивление В„выбирают из условия (8.44), обеспечивающего минимальное время переключения.
Обычно значения В„ лежат в пределах 0,5 — 2 кОм, а ток 1о — в пределах 0,5-2 мА. При расчете мощности нужно, конечно, учитывать и токи в повторителях. Используя выражения (10.96) и (10.11), легко показать, что в исходном состоянии, когда на обоих входах задан уровень У, эмиттерные пео реходы транзисторов Т1 и Т2 находятся под прямым смещением +~~У* = 0,35В. Такое смещение меньше напряжения отпирания, составляющего около 0,6 В, поэтому транзисторы практически заперты. Однако помехоустойчивость схемы, определяемая разностью между напряжением отпирания н прямым смещением, составляет всего 0,25 В. Для повышения помехоустойчивости мо.кно пойти на то, чтобы открытые транзисторы работали не на границе насыщения, а в квазинасыщенном режиме, т.е.
при небольшом (0,2-0,3 В) прямом смещении коллекторного перехода. Можно также заменить повторители более сложными схемами сдвига уровни (см. рис. 9.20). Применение последних равносильно увеличению напряжения У*. Однако такие схемы содержат дополнительные р — и-переходы или резисторы, а следовательно, занимают большую площадь. До сих пор транзистор ТЗ считался вспомогательным— «хранящим» ток 1о, когда логические транзисторы заперты. Однако легко заметить, что он вместе с повторителем Т5 тоже выполняет логическую функцию.
А именно, в исходном состоянии, когда У« =- Ув =- Уо, транзистор ТЗ открыт, а значит, на выходе Ю получается напряжение Уо. Если хотя бы на одном из логических входов действует напряжение У1, то транзистор ТЗ обесточен и, следовательно, Ур = У|. Как видим, одновременно ллж Глава 10. Интегральные схемы с функцией ИЛИ вЂ” НЕ, выполняемой на выходе С, выполняется функция ИЛИ на выходе Р. Поэтому говорят, что схеме ЭСЛ свойственна функция ИЛИ вЂ” НЕ/ИЛИ. В заключение отметим, что на практике в схемах ЭСЛ заземляют не отрицательный, а положительный полюс источника питания, так что все рабочие потенциалы на рис. 10.3 оказываются отрицательными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
