3. Схемотехника элементов интегральной инжекционной логики (иил или и2л).

Как развитие элементов транзисторной логики с непосредственными связями в последние годы появились элементы интегральной инжекционной логики (И²Л). Внешне их схемная специфика состоит в том, что исключены нагрузочные резисторы, а транзисторы имеют так называемое инжекционное питание, т.е. электрическая энергия, необходимая для работы, вводится путем инжекции неосновных носителей тока с помощью специального инжектора.

Структура транзистора с инжекционным питанием показана на рис. 11.26. В отличие от обычного транзистора здесь имеется дополнительный р₁-n₁-переход (инжектор) и его электрод (И). Кроме того, области n₁ и n₂ выполняют обратные функции: n₁-эмиттерную, n₂-коллекторную. Такую структуру можно представить в виде двух транзисторов: р₁-n₁-р₂ и n₁-р₂-n₂ (рис. 11.27). Ключевой элемент Кл, соединенный параллельно входу n-р-n-транзистора, служит для управления. Его роль обычно выполняет аналогичный транзистор другого элемента.

Если в цепь инжектора включен источник , то в ней течет ток

При ток В коллекторной цепи транзистора Т′ протекает ток . Это эквивалентно наличию в цепи базы транзистора генератора тока , что дает основание упростить схему и привести к виду рис. 11.28.

I_г

Режим работы транзистора Т зависит от состояния ключа Кл. Если ключ замкнут, то ток протекает через него, напряжение , ток базы , транзистор заперт. Если ключ разомкнут, то , транзистор открыт и при типовой нагрузке, насыщен. Покажем это, представив несколько рассматриваемых структур в виде последовательной цепочки (рис.11.29). Пусть внешняя цепь базы транзистора Т1 разорвана. Тогда , и транзистор открыт. Для его насыщения должно выполняться условие: , т.е. , где − статический коэффициент передачи тока Т1, а − ток генератора в цепи

базы транзистора Т2. Так как , условие насыщения выполняется при . Обеспечить такое значение В не сложно.

При насыщенном транзисторе Т1 нагружаемый на него транзистор Т2 заперт, так как ток течет через Т1 и . Состояние последующих транзисторов, таким образом, чередуется: Т3 открыт, Т4 заперт и т.д. Рассматриваемая цепочка представляет собой последовательное соединение инверторов. При этом наибольшее напряжение , соответствующее уровню логической единицы, устанавливается на входах открытых транзисторов Т1 и Т3, а минимальное − , соответствующее уровню логического нуля U^о, − на входах закрытых транзисторов Т2 и Т4.

Базовым элементом И²Л можно считать сам инвертор в несколько измененном виде − у него транзистор Т многоколлекторный, что позволяет получать другие логические элементы (ИЛИ, И, И-НЕ и др.) монтажным способом.

На рис. 11.30 изображена схема ЛЭ на транзисторах, имеющих по три коллектора, и инжектор, представленного многоколлекторным транзистором Т′. С помощью монтажной логики организованы операция ИЛИ-НЕ по двум выходам (у₄ и у₅) и инверсия входных сигналов по трем выходам (у₁, у₂, у₃). Покажем это.

Если источники сигналов х_i имеют низкое выходное сопротивление, то токи , задаваемые транзистором Т′, отводятся от баз Т1…Т3 во входные цепи, и эти транзисторы заперты. Напряжение на входах . Напряжение на всех выходах ЛЭ равно нагрузочных транзисторов (на схеме нагрузка не показана). Если хотя бы один из источников сигнала х_i переходит в высокоомное состояние (х_i = 1), то ток I_г соответствующего транзистора переключается в базу, и он насыщается. При этом на его инвертирующем выходе и на выходах у₄ и у₅ устанавливается уровень логического нуля.

Заметим, что ЛЭ имеет два одинаковых, но электрически развязанных друг от друга выхода: у₄ и у₅. Такой схемотехнический прием присущ монтажной логике. Он позволяет разветвлять выходной сигнал по нагрузкам.

На рис. 11.31 показано получение операции «Монтажное И» путем простого соединения коллекторов транзисторов с инжекционным питанием в общую точку. Вывод от этой точки является выходом монтажного ЛЭ. Действительно, если в коллекторных (входных) цепях ток не течет, то на всех входах х_i и на выходе у за счет тока I_г нагрузки устанавливается высокое напряжение . Если хотя бы одна коллекторная цепь становится низкоомной, на выходе напряжение получается близким к нулю.

Элементы И²Л характеризуются высокой экономичностью и быстродействием. При токе инжектора 10…100 мкА, что соответствует потребляемой мощности до ста микроватт, может составлять единиц наносекунд /3/. Высокое быстродействие объясняется небольшим (0,5…0,7В) перепадом логических уровней и малой паразитной емкостью структуры. При применении диодов Шотки можно снизить до 0,1 нс /13/.

Реализовать преимущества И²Л в простых ИС не представляется возможным из-за низкой помехоустойчивости. Однако структуры И²Л весьма перспективны для БИС и СБИС. Помехоустойчивость у них повышается за счет использования в качестве периферийных каскадов, имеющих связь с внешними выводами, элементов с большим перепадом логических уровней.