9.2. Основные типы цифровых имс
Цифровые ИМС могут быть построены по-разному, но в их основе, как правило, лежат схемы, выполняющие функцию И-НЕ либо ИЛИ-НЕ. В зависимости от технологии изготовления и используемой элементной базы цифровые ИМС могут быть разделены на следующие группы (рис. 9.2а):
1) ТТЛ (ТТЛШ) – транзисторно-транзисторные логические схемы;
2) КМОПТЛ – логические схемы на комплементарных МОП-транзисторах;
3) ЭСЛ – транзисторные логические схемы с эмиттерными связями;
4) И2Л – транзисторные схемы инжекционной логики.
ТТЛ элементы (рис. 9.2б) в простейшем варианте состоят из многоэмиттерного транзистора V1, выполняющего функцию логического умножения входных сигналов, и транзисторного инвертора V2, предназначенного для усиления сигнала.
В случае присоединения хотя бы одного эмиттера транзистора V1 к потенциалу, близкому к нулю (что эквивалентно подаче сигнала логического 0), транзистор открывается и подключает базу транзистора V2 к нулевому потенциалу. Транзистор V2 закрывается, а на его коллекторе появляется высокий потенциал, соответствующий уровню логической 1.
Если же на оба входа транзистора V1 подан высокий потенциал логической 1, то в прямом направлении смещается переход коллектор-база этого транзистора и протекающим через него током открывается выходной транзистор V2. В этом случае на его коллекторе транзистора устанавливается низкий потенциал, соответствующий уровню логического 0. Таким образом, данный элемент реализует логическую функцию И-НЕ.
С целью расширения функциональных возможностей логических элементов ТТЛ выходной каскад в них может быть выполнен по схеме с открытым коллектором (ТТЛ с ОК) или по схеме с третьим состоянием (ТТЛ с 3С).
Рис. 9.2
В коллекторе выходного транзистора V2 в элементах с ОК отсутствует резистор R2. Этот коллектор непосредственно выведен наружу. Таким образом, к выходу элементов с ОК можно непосредственно подключать нагрузку в виде исполнительных (реле, контакторов, двигателей постоянного тока) или индикаторных элементов (светодиодов, ламп накаливания и др.).
В логических элементах с третьим состоянием имеется дополнительный вход Е управления этим состоянием. Если Е = 0, то логический элемент работает как обычный двухвходовый элемент И-НЕ, у которого в зависимости от комбинации входных сигналов на выходе может присутствовать либо 0, либо 1. Если Е = 1, то на выходе логического элемента устанавливается состояние "разомкнуто", соответствующее высокому выходному сопротивлению. Указанное свойство логических элементов с третьим состоянием позволяет подключать их к двунаправленным шинам микропроцессорных устройств и вводить в эти устройства информацию из внешних цифровых приборов.
Из ТТЛ-схем в настоящее время наиболее перспективными являются ТТЛШ-элементы. В ТТЛШ-элементах переходы коллектор-база транзисторов шунтированы диодами Шоттки, что позволяет получить двойной эффект: во-первых, при заданном быстродействии снизить собственное потребление мощности логических элементов ТТЛ либо, во-вторых, при заданной мощности потребления существенно повысить быстродействие логических элементов. При проектировании новых цифровых устройств, приборов и систем следует ориентироваться на использование именно ТТЛШ цифровых ИМС.
КМОПТЛ элементы основаны на использовании последовательно включенных и управляемых одним сигналом МОП-транзисторов разных типов проводимости. Когда один из последовательно включенных транзисторов открывается, другой закрывается. Поэтому такой каскад практически не потребляет мощности в статическом режиме. Показанный на рис. 9.2в элемент реализует функцию ИЛИ-НЕ, в соответствии с которой на выходе уровень логической 1 появляется , когда на входе имеются два сигнала, равные 0.
Отсутствие других элементов, кроме транзисторов, в схеме логического элемента позволяет повысить степень интеграции КМОПТЛ. Очень высокое входное сопротивление МОП-транзисторов (что является их преимуществом) вместе с тем вызывает ряд трудностей при работе с ними. При наличии статического электричества может произойти пробой изоляции, и транзисторы логического элемента выйдут из строя. Хотя в реальных КМОПТЛ ИМС предусмотрены специальные средства защиты от пробоя, тем не менее при перевозке и монтаже следует соблюдать определенные меры предосторожности.
ЭСЛ элементы отличаются тем, что открытые транзисторы в них не входят в режим насыщения (двойной инжекции). Благодаря этому повышается быстродействие таких схем. Основой построения ЭСЛ элемента служит дифференциальный усилитель, на один вход которого подается опорное напряжение, а на другой – входной сигнал. Если входной сигнал превысит уровень опорного напряжения, открывается транзистор, на который подается входной сигнал, и закрывается транзистор, на который подано опорное напряжение. Логическая функция ИЛИ-НЕ реализуется параллельным включением сигнальных транзисторов. Высокое быстродействие ЭСЛ элементов "покупается" за счет увеличенного собственного потребления этих элементов и за счет уменьшения перепада напряжения логических уровней.
И2Л цифровые ИМС имеют в качестве основного элемента комплиментарную пару, составленную из торцевого p-n-p и вертикального многоколлекторного n-p-n биполярных транзисторов. Коллектор p-n-p биполярного транзистора подключен к базе n-p-n биполярного транзистора, которая одновременно служит входом логического элемента. Питание логического элемента осуществляется эмиттерным током p-n-p биполярного транзистора. Значение этого тока устанавливается внешним источником напряжения питания (обычно 1,5–3 В) и резистором, позволяя логическому элементу работать в двух основных режимах: либо в экономичном режиме – с малым потребляемым током, либо в режиме высокого быстродействия – с большим потребляемым током. В любом режиме перепад логических уровней на выходе элемента не превышает 0,6 В – напряжения отпирания биполярного транзистора. В силу однородности структуры и отсутствия пассивных компонентов (резисторов) элементы И2Л отличаются высокой технологичностью и потому имеют большую плотность упаковки активных компонентов (транзисторов) на кристалле.
Элементы инжекционной логики используются для создания БИС и СБИС микропроцессорных систем.