5.2.2. Базові елементи транзистор-транзисторної логіки

Базові логічні елементи в ТТЛ, ТТЛШ-логіці будуються на базі багатоемітерних транзисторів (рис. 5.3).

Р ис. 5.3 – Багатовходові елементи nI-HE (а) та nАБО-НЕ (б) на основі транзисторів з переходами Шотткі

5.2.3. Елементи емітерно-зв`язаної логіки

Дуже високу швидкодію забезпечують логічні елементи на базі емітерно-з`язаної логіки (ЕЗЛ), оскільки вони реалізуються на основі диференціального каскаду з біполярних транзисторів (рис. .4.а), які знаходяться в ненасиченому режимі. Завдяки цьому зміни вихідної напруги складають десяті частки вольта, час її перемикання не складає десяті долі наносекунди (рис. .4.б).

5.2.4. Елементи інтегральної інжекційної логіки

Недоліком логічних елементів на основі емітерно-зв`язаних схем є їх мала завадостійкість. Суттєво зменшити розміри кристалу, на якому знаходиться базовий логічний елемент при забезпеченні високої швидкодії та малої споживаної потужності дає ІІЛ або І²Л (рис. 5.5). Принцип дії елементів логіки І²Л полягає в інжекції неосновних носіїв в базу основного багато колекторного транзистора з допомогою вхідних транзисторів і за відсутності спеціальних кіл

Рис. 5.4 – Логічні елементи на основі емітерно-зв`язаних транзисторів – базова структура (а) та елемент nАБО-НЕ (б)

Рис. 5.5 – Базова схема елемента nАБО інтегральної інжекційної логіки

для зміщення його робочої точки. Густина розміщення елементів за цією схемотехнікою є такою, що на площі, яку може зайняти один елемент ТТЛ-логіки, можна розмістити приблизно 10 елементів І²Л-логіки.

5.2.5. Логічні елементи на основі комплементарних мдн-транзисторів

Однак, усі логічні елементи на основі біполярних транзисторів споживають відносно багато електроенергії (потужність споживання від 1 до мВт). У той же ш час логічні елементи на основі комплементарних МДН-транзисторів (КМДН – з доповняльними каналами провідності) дають змогу досягнути значення потужності споживання на три порядки меншої – до 0,001 мВт. В цифрових мікросхемах переважно використовують польові транзистори з ізольованим затвором. Розрізняють польові транзистори з ізольованим затвором та вбудованим каналом (рис. 5.6) та польові транзистори з ізольованим затвором та індукованим каналом (рис. 5.7).

Рис. 5.6 – Транзистори з ізольованим затвором і вбудованим каналом p-типу (а) та n-типу (б), а також їх прохідна (в) та вихідна (г) характеристики

Технологічно набагато простіше виготовляти МДН-транзистори з індукованим каналом, який виникає (індукується) під впливом електричного поля затвора. Окрім того, вони зручні у практичному використанні завдяки лише одній полярності напруги керування (напруги затвор-витік) (рис. 5.7). Особливо ці переваги виявляються під час використання схемотехнічних базових елементів (інверторів), виконаних на базі комплементарних МДН-транзисторів (рис. 5.8).

Схема МДН-ключа з резистивним навантаженням (рис. 5.8.а) споживає достатньо великий струм, значення якого визначатиметься опором стокового резистора. Оскільки в інтегральній технології достатньо важко виготовляти високоомні резистори, то й потужність споживання в основному визначатиметься

Рис. 5.7 – Транзистори з ізольованим затвором та індукованим каналом p-типу (а) та n-типу (б), а також їх прохідна (в) та вихідна (г) характеристики

Рис. 5.8 – Схеми електронних ключів на основі МДН-транзисторів з резисторним стоковим навантаженням (а), динамічним стоковим навантаженням на транзисторах одного типу провідності (б) та динамічним стоковим навантаженням різного типу провідності (в)

відносно невисокоомним опором цього стокового резистора, навіть при замкненому МДН-транзисторі. У схемі рис. 5.8.б завдяки використанню динамічного навантаження VT1 вдалося суттєво зменшити електроспоживання, оскільки обидва транзистори працюють в протифазі – якщо нижній за схемою знаходиться в режимі насичення, то інший в цей час є в режимі відсічки і навпаки. У схемі рис. 5.8.в динамічне навантаження VT1 реалізоване на транзисторі іншого типу провідності до основного транзистора VT2.

Отже, в схемах інверторів з динамічним навантаженням та використанням КМДН-транзисторів вдалося зменшити статичний струм споживання практично до значень, що визначаються лише опорами ізоляції. Тому на базі таких інверторів будуються сучасні логічні елементи з дуже малим струмом споживання, що уможливлює їх роботу від батарейного живлення (рис. 5.9).

Р ис. 5.9 – Схема базових елементів НЕ-n-АБО (а) та НЕ- n-І на основі комплементарних МДН транзисторів