15. Интегральная микросхемотехника

15.1. Интегральные логические микросхемы

Интегральные микросхемы относятся к числу изделий электронной техники, получаемых методами групповой технологии. Групповая технология предусматривает формирование на одном технологическом этапе производства формирование одновременно нескольких одинаковых элементов на полупроводниковом кристалле, например областей эмиттеров биполярных транзисторов, затворов полевых транзисторов и т. п.

Многократным повторением на одном кристалле полупроводника некоторого элемента с последующим соединением этих элементов проводниками получают различные устройства, которые заключают в корпус с необходимым количеством выводов.

Микросхемы разделяют на типы, различающиеся функциями, частотным диапазоном, мощностью, особенностями элементов, размещаемых на кристалле. К числу основных групп относятся цифровые и аналоговые микросхемы, микросхемы, выполненные на биполярных или полевых элементах. В каждой группе, называемой серией, может быть много микросхем, отличающихся своим функциональным назначением и, соответственно, схемой, реализованной на кристалле.

Микросхемы, относящиеся к категории логических и цифровых имеют на кристалле в большом количестве один и тот же элемент (схему), соединённый различными способами для получении нужной функции.

На одном кристалле, следовательно в одном корпусе, одна и та же функция может быть реализована несколько раз.

В этом разделе рассматриваются микросхемы, относящиеся к категории логических. Логические микросхемы классифицируют по типам используемых транзисторов на биполярные и полевые и по способам соединения элементов на кристалле на транзисторно-транзисторные (ТТЛ), эмиттерно-связанные (эмиттерно-связанная транзисторная логика – ЭСТЛ), логические схемы на комплементарных⁴⁰ парах полевых транзисторов (КМОП).

Далее будут рассмотрены микросхемы транзисторно-транзисторной логики. Для понимания работы логических микросхем обычно достаточно изучить схему одного элемента, поскольку, как сказано выше, элементы на кристалле повторяются. Такие элементы принято называть базовыми.

Транзисторно-транзисторная логика

Характерным признаком транзисторно-транзисторной логики – ТТЛ является применение многоэмиттерного транзистора во входных цепях логического элемента. Как и многие другие логические элементы микросхемы ТТЛ относятся к категории потенциальных элементов. Потенциальные элементы не содержат в межкаскадных соединениях конденсаторов или трансформаторов. Таким образом, сигналом, несущим информацию, является не импульс, а уровень потенциала.

Базовый элемент ТТЛ

Интегральные микросхемы транзисторно-транзисторной логики представляют собой в большинстве случаев технический аналог булевой функции отрицание конъюнкции. Этот элемент микросхем ТТЛ представлен в вариантах с различным числом входов, различной нагрузочной способностью, возможностью объединения схем по выходам и подключения к шине. Вариант базового элемента ТТЛ представлен на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики.

Электрическая схема элемента состоит из трёх узлов: схемы совпадения на транзисторе Т1, инвертора на транзисторе Т2 и выходного каскада на транзисторах Т4 и Т5. Непоследовательная нумерация транзисторов в этой схеме применяется некоторыми авторами для преемственности нумерации со схемами вариантов схемы базового элемента.

Выходной каскад и инвертор вместе называют сложным инвертором. Сигнал, поступающий на базу транзистора Т2, расщепляется на инверсный сигнал, снимаемый с коллектора этого транзистора и синфазный сигнал, снимаемый с эмиттера. В связи с этим каскад, выполненный на транзисторе Т2, можно называть расщепителем фазы.

Сигнал, поступающий на базу транзистора Т2 с коллектора транзистора Т1, является конъюнкцией входных сигналов, подаваемых на эмиттеры транзистора Т1.

Действие транзистора Т1 можно рассмотреть, воспользовавшись диодной моделью, представленной на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Диодная модель многоэмиттерного транзистора и инвертор.

Схема Дарлингтона и нелинейное сопротивление в цепи базы выходного транзистора

Более сложная в сравнении с рис. 15.1 схема приведена на рис. 15.3. В этой схеме нет диода в выходной цепи [16]. Это обеспечивает более высокую нагрузочную способность схемы в состоянии "1" и боле высокую скорость выключения.

Рис. 15.3. Базовый ТТЛ вентиль с составным транзистором, нелинейным сопротивлением в цепи базы выходного транзистора и антидребезговыми диодами на входах.

Добавление транзистора Т₆ и резистора R₆ оказывает влияние на низкочастотную передаточную характеристику⁴¹, делая её более крутой. В этой схеме ток через транзистор Т₂ не протекает до тех пор, пока напряжение в точке С не превысит напряжение, необходимое для отпирания перехода база-эмиттер транзистора Т_6. При отпирании Т₆ через резистор R₃ начинает протекать ток. В этой схеме ток, протекающий через транзистор Т₂ больше чем в случае первой схемы (рис. 125.1), так как он составляется из коллекторного тока транзистора Т₆ и базовых токов транзисторов Т₅ и Т₆. Так как напряжение между базой и эмиттером Т₆ приблизительно равно напряжению между базой и эмиттером Т₅, то выходной уровень 1 в этом случае не будет изменяться до тех пор, пока входное напряжение не достигнет уровня, при котором откроется транзистор Т₅. Это означает, что наклонный участок на передаточной характеристике исключается. В вентилях такого типа происходит подавление низкочастотной помехи по любому логическому уровню (если величина этой помехи не достигнет порога фактического переключения схемы).

Схема с открытым коллектором

В сериях микросхем транзисторно-транзисторной логики содержатся элементы, позволяющие соединять выходные контакты нескольких вентилей. В таких микросхемах отсутствует один из выходных транзисторов сложного инвертора. Второй транзистор при этом не имеет нагрузки в цепи коллектора. Коллектор подсоединён непосредственно к выходному контакту, рис. 15.4. Этот вариант логической микросхемы называется схема с открытым коллектором.

Рис. 15.4. Схема с открытым коллектором

Для получения сигнала на выходе схемы с открытым коллектором к этому выходу необходимо подключить нагрузочный резистор. Микросхемы транзисторно-транзисторной логики с открытым коллектором применяются для подключения отдельных светодиодов, сегментов светодиодных сегментных индикаторов и миниатюрных ламп накаливания. На рис. 15. 5 показано подключение светодиода.

Выходы нескольких элементов с ОК можно подключать к общей нагрузке, как показано на рис. 15.6. Такое соединение называется «монтажное ИЛИ», иногда «проводное ИЛИ».

Схема с тремя состояниями

В устройствах с магистральной системой передачи сигналов к общей магистрали подсоединено несколько устройств. При этом, если приём информации может осуществляться одновременно несколькими устройствами, то передачу может осуществлять только одно устройство. Все передатчики, кроме активного, должны быть отключены от магистрали. В противном случае произойдёт искажение информации и даже разрушение выходных каскадов передающих устройств. Для работы на общую магистраль применяют микросхемы с возможностью отключения со стороны выхода. Такие схемы называются схемами с тремя состояниями выхода: уровень 0, уровень 1 и отключено. Для отключения выходные транзисторы переводятся в режим отсечки и выходная цепь приобретает высокое сопротивление (сопротивление измеряется со стороны выходного контакта). Схема с тремя состояниями по выходу приведена на рис. .

Рис. Схема И-НЕ с тремя состояниями выхода.

В этой схеме добавляется управляющий транзистор Tv и вход V для подачи сигнала управления. При высоком уровне сигнала на входе V транзистор Nv открывается до насыщения и шунтирует транзистор Т2. Под действием низкого потенциала на базах транзисторы Т4 и Т5 переходят в режим насыщения.

Описание логических и цифровых устройств

Работу логических устройств, как и других узлов цифровых вычислительных машин можно представить с различной степенью детализации. Выше были приведены принципиальные электрические схемы. Кроме принципиальных схем, можно воспользоваться логическими схемами, таблицами истинности и логическими выражениями, то есть, формулами дискретной алгебры.

Для начертания логических схем надо применять принятые стандартами условные графические обозначения. Основные условные обозначения логических схем приведены на рис. .

Рис. . Условные графические обозначения логических устройств.

В соответствии с российскими стандартами логические элементы обозначаются в виде прямоугольников. Входы помечаются слева, а выходы справа. В поле прямоугольника записывается обозначение функции, реализуемой устройством. Так на рис. слева направо показаны следующие обозначения логических функций: 1 – ИЛИ, & – И, =1 – исключающее ИЛИ. Кружочек у выходного контакта означает инверсию. Последний прямоугольник с одним входным контактом обозначает инвертор.

Обозначения, используемые зарубежными производителями, отличаются от приведённых на рис. . В том же порядке, что и на рис. они приведены на рис. .

Рис. . Зарубежные условные графические обозначения логических устройств.

Для упрощения рисунка приведены обозначения двухвходовых устройств. Реально число входов может быть 2, 3, 4 и более. В одном корпусе (на одном кристалле) может быть размещено 2, 3, 4 или более однотипных элемента. Например, микросхема К1533ЛА3 содержит 4 логических элемента 2И-НЕ (4 двухвходовых элемента И с инверторами), а микросхема КР1531ЛА4 содержит 3 логических элемента 3И-НЕ (3 трёхвходовых элемента с инверторами).

Рассмотрим логические схемы некоторых логических (комбинационных) устройств. Такие устройства не содержат запоминающих элементов, поэтому сигнал на выходе определяется только комбинацией сигналов. поданных на входы.

Работу комбинационных устройств, как указывалось выше можно описать с помощью логических функций. Так как логические функции являются средством для формального, идеализированного, описания работы дискретных устройств будем рассматривать только аргументы и функции, которые могут принимать только одно из двух возможных значений. Для определённости здесь и далее будем применять символы 0 и 1. Эти величины являются просто обозначениями и безразмерны⁴².

Функция, описывающая логическое умножение, называется функцией конъюнкции, функция, описывающая логическое сложение, называется функцией дизъюнкции, а функция, значение которой противоположно значению аргумента – функцией инверсии (отрицания).

Обычно применяется форма записи логических функций в виде суммы произведений аргументов. Такая форма записи называется дизъюнктивной нормальной формой. Например, функция, являющаяся истинной при совпадении значений аргументов (функция равнозначности) в дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ) записывается в виде

Схема, реализующая функцию равнозначности, может быть составлена из базовых элементов, как показано на рис. . .

Рис. . . Логическая схема устройства, предназначенного для реализации функции равнозначности.

Дискретная алгебра строится на системе аксиом. Выбирая систему аксиом можно получить ту или иную алгебру со своим набором функций и правил их преобразования. При математическом описании действия дискретных устройств преимущественно применяется алгебра, разработанная Дж. Булем и называемая Булевой алгеброй. Ещё одно название дискретной алгебры, применяемой для формального описания дискретных устройств, алгебра логики. В алгебре Буля используются три основных функции, упомянутых выше, это функции конъюнкции, дизъюнкции и отрицания.

Основным понятием алгебры логики является высказывание. Высказыванием называется такое предложение (утверждение) про которое можно сказать только, что оно истинно или ложно. В цифровой технике истину принято обозначать либо цифрой 1, либо символом Y (Yes – да), а ложь принято обозначать 0 или символом N (No – не, Not – не, нет).

Использование двух значений приводит к двоичной алгебре, в которой аргумент может принимать одно из двух значений и функция тоже принимает одно из двух возможных значений. Таким образом, речь идёт о двоичных функциях двоичных аргументов. Количество аргументов может быть любым 1,2,…,n. Сочетание значений аргументов называется набором. Каждому набору аргументов соответствует одно из двух значений функции. Если аргументов n, то количество наборов (сочетаний значений) K=2ⁿ. Если количество наборов равно K, то количество двоичных функций N=2^K. Таким образом, количество двоичных функций n двоичных аргументов

.

Например, если аргументов 2, то наборов значений 4. На четырёх наборах двоичных аргументов существует 16 двоичных функций.

Таблица, описывающая свойства функции, называется таблицей истинности. Например, таблица истинности функции конъюнкции двух аргументов, которая истинна тогда и только тогда, когда оба аргумента истинны, выглядит следующим образом:

A	B	F
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Здесь столбцы A и B содержат значения аргументов, столбец F содержит значения функции.

Функция дизъюнкции описывается следующей таблицей:

A	B	F
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Запишем таблицу истинности для операции переноса в разряде двоичного комбинационного сумматора. В разряде сумматора происходит сложение трёх переменных: цифра первого слагаемого, цифра второго слагаемого и единица переноса из соседнего младшего разряда. Перенос формируется, если обе цифры слагаемых равны единице и если поступила единица переноса и хотя бы одно из слагаемых равно единице. Другими словами перенос в старший разряд возникает если суммируются две или более единиц. В соответствие со словесным описанием получается следующая таблица истинности:

C	A	B	P
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	1

В таблице аргумент С соответствует значению переноса, поступившего из соседнего младшего разряда, а функция Р, соответствует сформировавшимся значениям переноса в соседний старший разряд.

Как сказано выше, логическую функцию можно описать в виде формулы. Сделаем это, анализируя таблицу. В каждой строке таблицы записаны значения аргументов, сочетание которых определяет значение функции, записанное в конце строки, в колонке Р. Для определения значения функции подставляется конкретный набор. При подстановке другого набора получается значение функции, соответствующее этому набору. При записи функции аргументы набора записываем вместе, соединяя их знаком конъюнкции. Так как воспользоваться можно одним или другим набором, то наборы объединяем с помощью функции дизъюнкции. Наборы из строчек, в которых значение функции равно 0, записывать не надо, так как в соответствие со свойствами функции дизъюнкции прибавление нуля не меняет значения функции. Выпишем наборы из 4, 6, 7 и 8 строк.

Табличная форма записи полностью и понятно описывает свойства функции. Аналитическая форма позволяет составить логическую схему устройства, реализующего данную функцию. Продолжим рассмотрение примера с переносом при сложении. Выражение для Р представляет собой объединение знаком сложения произведений аргументов. Поэтому схема, реализующая это соотношение, состоит из двух каскадов: первый каскад – четыре трёхвходовых схемы И (функция конъюнкции) и одной четырёхвходовой схемы ИЛИ (функция дизъюнкции). Схема изображенная в приведённых выше условных обозначениях приведена на рис. . В качестве входных сигналов подаются прямые значения аргументов (логические единицы) и инверсные значения (логические нули), обозначенные чертой сверху.

Рис. . Схема формирования сигнала переноса, построенная на основе логической формулы.

Осуществляя различные способы соединения интегральных логических микросхем получают множество вариантов логических устройств. При разработке логических устройств необходимо учитывать параметры и характеристики интегральных микросхем. К их числу относятся:

- напряжение источника питания U_И.П.,

- средняя потребляемая мощность Р_ПОТ.СР.,

- частота следования импульсов входного напряжения f_ВХ.,

- среднее время задержки распространения сигнала t_ЗД.Р.СР.,

- коэффициент объединения по входу К_ОБ,

- коэффициент разветвления по выходу К_РАЗ.

Выше были рассмотрены устройства, генерирующие периодические импульсные сигналы. Построим такой генератор на интегральных микросхемах, выполняющих функцию инверсии. Устройство отобразим в виде логической схемы. Применим двухвходовой элемент, выполняющий функцию И–НЕ, рис. .

Рис. . Генератор периодических импульсных сигналов.

Из рисунка следует, чётное количество инверторов, включённых последовательно, совместно с конденсатором С обеспечивают частотно зависимую положительную обратную связь. Так как в устройстве нет узкополосных частотных фильтров, положительная обратная связь обеспечивается в широком диапазоне частот. Таким образом, выполняется условие баланса фаз. Баланс амплитуд обеспечивается посредством резистора, образующего цепь отрицательной обратной связи первого инвертора.

Рис. . Мультивибратор с управляющим входом V.

Недостатком транзисторно-транзисторной логики является большое время распространения сигнала от входа к выходы. Это время называется временем задержки распространения и обозначается t_з. Так как даже для однотипных элементов времена задержки распространения несколько отличаются для разных экземпляров, в справочниках приводят среднее время задержки распространения

Наряду с транзисторно-транзисторной логикой существуют другие системы, такие как эмиттерно-связанная логика, имеющая наибольшее быстродействие, микросхемы, выполненные на полевых транзисторах, отличающиеся высокой плотностью упаковки элементов на кристалле полупроводника и интегральная инжекционная логика, используемая в технике сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Эмиттерно-связанная логика

Микросхемы, работающие в режиме переключения токов, построены на транзисторах каскадах, в которых два транзистора связаны общей эмиттерной цепью. Эмиттерная цепь построена на основе генератора тока. Такие микросхемы называются эмиттерно-связанная транзисторная логика ЭСТЛ.

Логический элемент эмиттерно-связанной транзисторной логики.

Эмиттерно–связанная транзисторная логика применяется в тех случаях, когда быстродействие других систем элементов оказывается недостаточным. Отличия этих микросхем от других цифровых серий связано, в первую очередь, с применением метода переключения тока. Для этих микросхем характерно большое значение потребляемой мощности. При применении микросхем ЭСТЛ необходимо учитывать особенности питания, согласование логических уровней, требование отвода тепла.

Схема логического элемента строится на основе дифференциального усилителя, транзисторы которого работают в режиме переключения тока. Рабочая точка при этом не перемещается в область насыщения. Принцип работы переключателя тока иллюстрируется рис. . В общей цепи эмиттеров включён генератор тока I₀. Этот ток переключается то в левый, то в правый транзистор. В цепь базы правого транзистора включён источник опорного напряжения. Если входным сигналом открыть левый транзистор, то весь ток I₀ потечёт через него. На коллекторе этого транзистора понизится напряжение. Через правый транзистор ток в это время не течёт. То есть он принудительно находится в режиме отсечки. На его коллекторе в это время присутствует высокий уровень напряжения. Наличие ГСТ необходимо для обеспечения строго фиксированных величин выходных сигналов.

Рис. . . Схема дифференциального каскада с генератором тока и источником опорного напряжения.

Для получения опорного напряжения и стабильного тока в цепи эмиттеров применены резисторы и диоды, как показано на рис. . .

Рис. . . Схема для пояснения режима работы дифференциального каскада.

Резисторы с сопротивлением 1 кОм и 5 кОм и два диода образуют стабилизатор напряжения. Ввиду небольшого напряжения стабилизации используется прямая ветвь вольтамперной характеристики диодов. На базе транзистора напряжение имеет величину 4,6 В. Опорное напряжение стабилизирует порог срабатывания переключателя тока на уровне 3,9 В.

Рассмотренная схема должна быть дополнена входными и выходными цепями для обеспечения согласования при соединении микросхем и реализации логических функций.

Для обеспечения согласования и построения быстродействующих выходных цепей к коллекторам транзисторов дифференциального каскада подсоединяются эмиттерные повторители. Эмиттерные повторители, выполненные на транзисторах VT7 и VT8 (рис.15.4) работают в линейном режиме. Применение эмиттерных повторителей снижает выходное сопротивление. Без эмиттерных повторителей, то есть, как на рис. . и рис. . значение выходного сопротивления было бы близким к Rk. Сопротивление эмиттерного выхода меньше 1+β раз, где β – коэффициент усиления транзистора эмиттерного повторителя по току.

Эмиттерные повторители делаются обычно «открытыми», чтобы их можно было объединять по схеме «монтажное ИЛИ». Сопротивление внешних нагрузочных резисторов можно изменять в широких пределах от 30 Ом до 30 кОм. При работе на коаксиальный кабель для согласования с волновым сопротивлением кабеля применяют внешние нагрузочные резисторы 51 Ом.

Интегральные микросхемы на полевых транзисторах

Работа цифровых интегральных микросхем, выполненных на полевых структурах, основана на регулировании силы тока в приповерхностном слое полупроводникового материала за счёт влияния поперечного электрического поля на проводимость этого слоя, называемого каналом. В цифровых интегральных микросхемах преимущественно применяют полевые транзисторы с оксидной изоляцией, образующие структуру металл-окисел-полупроводник (МОП), и транзисторы с комбинированной нитридно-оксидной⁴³ изоляцией (МНОП).

Выпускаются микросхемы на n-канальных транзисторах и на комплементарных (дополняющих друг друга) МОП транзисторах, когда в паре транзисторов один транзистор типа р, а другой типа n.

Полевой МОП транзистор имеет естественное пороговое напряжение на истоке (Uпор), что позволяет использовать его в цифровых схемах. [Янсен , Т.1 ]. Во включённом состоянии полевой транзистор ведёт себя как резистор с малым сопротивлением, которое сравнимо с сопротивлением канала насыщенного полевого транзистора, соединённого последовательно с источником напряжения, равного пороговому напряжению МОП транзистора. Схемы инверторов с указанием подключения подложек и затвора транзистора-нагрузки приведены на рис. .

Рис. . . Инверторы на полевых транзисторах с каналами p-типа, n-типа и КМОМ (слева направо).

В выключенном состоянии транзистор Т2 (по рисунку нижний) имеет очень высокое сопротивление и на выходе инвертора появляется высокое напряжение. Нагрузочный транзистор Т1 (верхний) действует, как истоковый повторитель. Напряжение на выходе не превышает величину .

Последовательностные устройства

Особенностью последовательностных устройств является зависимость выходного сигнала, как от действующих в настоящий момент входных сигналов, так и от того, какие сигналы действовали на входе (входах) в предшествующие моменты времени. Действие предшествующих сигналов запоминается в виде состояний элементов памяти, входящих в состав данного последовательностного устройства. В качестве элементов памяти применяются устройства с двумя устойчивыми состояниями, называемые триггерами.

Аналоговые интегральные микросхемы

Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для обработки сигналов в реальном времени. Выходная информация такой ИС сходна с информацией, которую несёт входной сигнал.

Аналоговые интегральные микросхемы отличаются большим разнообразием и применяются в системах связи и вещания, автоматике и в технических системах управления.

Выпускаются аналоговые микросхемы для радиоприёмных устройств, для телевизионных приёмников, ключи, компараторы, коммутаторы аналоговых сигналов, схемы для автогенераторов электрических сигналов различной формы, аналоговые перемножители сигналов и схемы аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового преобразования (ЦАП), являющиеся одновременно как аналоговыми, так и цифровыми. В номенклатуре аналоговых устройств большое место занимают стабилизаторы напряжения.

Среди аналоговых ИС следует особо выделить операционные усилители, являющиеся универсальным базовым элементом для построения многих аналоговых устройств и узлов аппаратуры.

Аналоговые ИС имеют большое число электрических параметров. Эти параметры позволяют составить полную параметрическую модель микросхемы. При применении аналоговых микросхем следует учитывать, что для реализации заданной функции к ИС часто приходится подключать внешние элементы.