Сравнительная характеристика базовых логических элементов. Применение в вооружении зрк ближнего действия и малой дальности.

Важным этапом проектирования цифровой аппаратуры является выбор серий ИС, наиболее приемлемо удовлетворяющих требованиям по быстродействию, энергопотреблению, помехоустойчивости, нагрузочной способности, стойкости к специальным воздействиям, надежности и др. Учитывается и функциональный состав серий.

Поскольку почти все перечисленные показатели любой ИС в составе конкретной серии определяются параметрами базового ЛЭ, сравнительную оценку серий цифровых ИС обычно сводят к сравнительной оценке базовых ЛЭ.

В табл. 11.1 приведены соответствующие нынешнему уровню развития производства ИС сопоставительные данные по некоторым конструктивно-технологическим и электрическим параметрам ЛЭ, используемых в интегральных схемах высокой степени интеграции в качестве базовых /3/.

Сопоставление табличных данных по совокупности параметров обнаруживает очевидные преимущества инжекционной логики. Элементы И²Л во много раз меньше элементов других структур, достаточно технологичны и экономичны, имеют самую низкую работу переключения. Это обусловливает перспективность их применения в БИС и СБИС.

Учитывая, что одним из основных ограничивающих на степень интеграции факторов выступает рассеивание потребляемой мощности, весьма перспективны для СБИС также элементы КМОПТЛ. Структуры на однотипных МОП-транзисторах отличаются высокой плотностью упаковки. Поэтому им отдается предпочтение в полупроводниковых динамических запоминающих устройствах большой емкости.

Таблица 11.1

Типовые параметры базовых лэ.

Параметр	n-МОП	КМОП	ТТЛ, ТТЛШ	ЭСЛ	И2Л
Площадь, × 10−3, мм2 Количество этапов диффузии и легирования Количество этапов маскирования Средняя задержка распространения , нс Статическая потребляемая мощность , мВт Работа переключения, пДж	4 – 7 3 6 40–100 0,2–0,5 10 – 50	6 – 19 4 7 15 – 50 < 0,001 3	12 – 38 4 7 3 – 10 1 – 3 10	12 – 31 4 – 5 8 – 9 0,5 – 2 5 – 15 10	2 – 4 3 – 4 5 – 7 > 3 < 0,2 < 1

Для построения быстродействующих БИС используются элементы ЭСЛ. Однако большая потребляемая мощность и низкая плотность упаковки не позволяют достичь высокой степени интеграции. Это же, хотя и в меньшей мере, касается использования элементов ТТЛ. В этой связи БИС на биполярных транзисторах часто делают секционными (на 2,4 разряда), позволяющими соединять их параллельно и тем самым наращивать структуру цифрового устройства до требуемой разрядности.

В потребительском плане о базовых ЛЭ и соответствующих ИС любой сложности можно отметить следующее.

Элементы ЭСЛ наиболее быстродействующие, способны переключаться с частотой 100 МГц и более. Однако они требуют специальных мер защиты от помех по сигнальным цепям и шинам питания, применение согласованных линий связи, организацию эффективного теплоотвода от ИС, печатных плат, блоков и т.д. Рекомендуются для использования тогда, когда ИС других типов логики не обеспечивают необходимого быстродействия.

Элементы ТТЛ и ТТЛШ отличаются от всех других тем, что перекрывают широкий диапазон значений и , составляющих ту «золотую серединку», которая чаще всего требуется на практике. Они обладают приемлемой помехоустойчивостью и нагрузочной способностью. На их основе создано более десяти функциональных полных взаимно-согласованных серий, образующих своеобразный параметрический ряд по и . Микросхемы ТТЛ и ТТЛШ получили наибольшее распространение в цифровых устройствах широкого применения.

Из ЛЭ на однотипных МОП-транзисторах предпочтение отдается n-канальным. Они обладают хорошими показателями по всем параметрам кроме задержки переключения. Существенно низкое быстродействие, особенно при наличии емкости нагрузки, сделало нецелесообразным создание на их основе ИС малой и средней степени интеграции.

Подобное объяснение монопольного использования в ИС только высокой степени интеграции имеет также инжекционная логика − элементы И²Л отличаются крайне низкой помехоустойчивостью.

Элементы КМОПТЛ на несколько порядков экономичнее элементов всех других логик, обладают высокой помехоустойчивостью и прогрессирующим быстродействием, способны работать в широком диапазоне питающих напряжений. Считаются одними из самых перспективных для создания ИС различной степени интеграции.

Таким образом, в настоящее время для ИС малой и средней интеграции перспективны базовые ЛЭ ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и КМОПТЛ, для БИС и СБИС − И²Л, КМОПТЛ и, в ряде случаев, n-МОПТЛ. В быстродействующих ИС повышенной интеграции используются модифицированные элементы ЭСЛ и ТТЛШ.

Успехи в развитии технологии, освоении новых полупроводниковых и других материалов, безусловно, будут способствовать улучшению качественных показателей ИС, возможны перераспределения ролей «лидеров» между базовыми ЛЭ, но в целом схемотехнические достоинства и недостатки их можно считать определившимися.