2.1.2. Логические элементы в интегральном исполнении

В настоящее время логические элементы выполняются на базе интегральных микросхем. В качестве активных элементов микросхем используют как биполярные, так и полевые транзисторы. На бипо­лярных транзисторах чаще выполняют элементы транзисторно-тран­зисторной логики (ТТЛ) и эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), ко­торую еще называют логикой типа ТТЛ на переключателях (ПТТЛ). Инжекционно-интегральная логика (ИИЛ или И²Л) представляет собой дальнейшее развитие транзисторной логики. С помощью схем И²Л удалось преодолеть многие недостатки биполярных интеграль­ных схем и создать микросхемы большой степени интеграции, высо­кого быстродействия и малого потребления электроэнергии.

Основой микросхем серии ТТЛ является многоэмиттерный тран­зистор, отличающийся от обычных транзисторов наличием несколь­ких эмиттерных областей с общими для всего транзистора базовыми и коллекторными слоями. Эмиттеры многоэмиттерного транзистора расположены так, что взаимодействие между ними через разъединяю­щий их участок базы практически исключается. В связи с этим много­эмиттерный транзистор является совокупностью нескольких транзис­торных структур, взаимодействующих между собой только за счет движения основных носителей в общей коллекторной области.

Нагрузкой многоэмиттерного транзистора в серии ТТЛ является простой или сложный инвертор. Схемы ТТЛ с простым инвертором не нашли широкого применения из-за низкой нагрузочной способно­сти и помехоустойчивости. Базовым для современных схем серии ТТЛ стал элемент со сложным инвертором (рис. 2.2, б), где многоэмиттер-ный транзистор VT1 осуществляет логическую операцию И, а слож­ный инвертор — операцию НЕ.

Сложный инвертор состоит из двух каскадов: фазорасщепительного (транзисторы VT2, VT3, резисторы R2, R3, R4) и выходного (транзисторы VT4,VT5, диод VD5, резистор R5). При открытом тран­зисторе VT2 открыт VT5, a VT4 — закрыт. Узел VT3, R3 и R4 выпол­няет роль резистора и служит для повышения помехоустойчивости.

На выходе сложного инвертора при открытых транзисторах VT2 и VT5 потенциал соответствует состоянию логического нуля. Диод VD5 повышает уровень отпирания транзистора VT4 до напряжения, превышающего потенциал коллектора транзистора VT2 с учетом падения напряжения на эмиттерном переходе VT5 до 1 В. Для отпи­рания диода VD5 и эмиттерного перехода VT4 требуется 0,7...0,8 В, поэтому обеспечивается надежное закрывание транзистора VT4.

При запирании транзистора VT2 закрывается и транзистор VT5, a VT4 открывается, на выходе потенциал повышается до уровня ло­гической единицы (около 3,5 В). Таким образом, сложный инвертор по отношению к многоэмиттерному транзистору ведет себя анало­гично простому инвертору.

Когда на одном из входов элемента появляется низкий потенциал (логический нуль), соответствующий эмиттерный переход VT1 смесщается в прямом направлении, напряжение на нем не превышает 1 В, что недостаточно для открывания трех переходов: коллекторного VT1 и двух эмиттерных VT2 и VT5. Транзистор VT5 закрывается, и на выходе элемента будет высокий потенциал, соответствующий ло­гической единице. Для ограничения отрицательного входного напря­жения, возникающего из-за возможных помех, вводы шунтируются диодами VD1, VD2, VD3 и VD4.

Сигнал высокого уровня, соответствующий логической единице, поданный на все входы элемента, смещает эмиттерные переходы в обратном направлении, устанавливает в транзисторе VT1 режим ин­версного усиления. Под действием тока в его коллекторной цепи от­крываются транзисторы VT2 и VT5, переходя в режим насыщения, что приводит к появлению на выходе логического нуля. Таким обра­зом, элемент серии ТТЛ, схема которого приведена на рис. 2.2. б, реализует логическую операцию И-НЕ.

Логические элементы серии ТТЛ могут служить основой для со­здания других устройств, выполняющих более сложные логическиеоперации, например, И-ИЛИ-НЕ (рис. 2.3, а). Отличительной особен­ностью этой схемы является наличие двух многоэмиттерных транзис­торов VT1 и VT4, каждый со своими дополнительными транзистора­ми VT2 и VT3. Нагрузкой многоэмиттерных транзисторов является сложный инвертор (транзисторы VT5, VT6, диод VD1, резистор R5).

Для отпирания транзистора VT6 и появления на выходе элемента логического нуля необходимо открыть транзистор VT2 путем пода­чи на входы 1 и 2 логических единиц или открыть транзистор VT3, подавая логические единицы на входы 3 и 4. При других потенци­альных комбинациях на входах транзисторы VT2, VT3 и VT6 оста­нутся закрытыми, а транзистор VT5 — открытым, на выходе будет логическая единица. Таким образом, данный элемент серии ТТЛ ре­ализует логическую операцию И-ИЛИ-НЕ (см. рис. 2.3, а).

Для выполнения логических элементов широко используются уни­полярные (полевые) МОП-транзисторы (металл, окисел-полупровод­ник) или МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник). Униполярные транзисторы наиболее распространены и перспектив­ны в схемах на так называемых комплиментарных структурах (КМОП или КМДП-структурах), т.е. на совместном включении пары унипо­лярных транзисторов с каналами разных видов проводимости. Их применение позволяет повысить быстродействие устройств.

Базовым элементом для функциональных устройств КМОП-струк-туры является инвертор, состоящий из двух встречно включенных МОП-транзисторов с каналами типов р и п (рис. 2.3, б). Транзистор VT2 в этой схеме играет роль нагрузки. Затворы транзисторов VT1 иVT2 соединены между собой и образуют общий вид. Общая точка стоков является выходом инвертора. Подложка каждого транзисто­ра соединена с его истоком и подключена к одному из полюсов ис­точника питания (+U_n или - ).

Транзистор VT1 — n-канальный прибор, он открывается поло­жительным потенциалом на входе инвертора, при низком потенциа­ле входного сигнала транзистор закрывается. Транзистор типа VT2 является p-канальным прибором и открывается отрицательным по­тенциалом на входе инвертора, а закрывается — положительным. Таким образом, при положительном потенциале входного сигнала (логическая единица) транзистор VT2 закрыт, VT1 — открыт, на выходе отрицательный потенциал (логическими нуль), схема инвер­тирует входной сигнал, выполняет логическую операцию НЕ. Ана­логично инвертируется отрицательный входной сигнал, который приводит к запиранию транзистора VT1 и отпиранию VT2, на выхо­де появляется высокий потенциал (логическая единица). В схеме все­гда один из транзисторов закрыт, от источника питания потребляет­ся ток, равный току нагрузки, который для КМОП-структуры опре­деляется токами утечки. Мощность, потребляемая инвертором, составляет доли микроватта, выходное напряжение низкого уровня U_вых < 0,05 В, высокого — U_вых > (U_n - 0,05) В.

На основе КМОП-инверторов можно выполнять и более слож­ные логические схемы И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Для реализации этих логи­ческих функций транзисторы одного типа соединяют параллельно, другие — последовательно. Таким образом, в элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ на КМОП-структурах на каждый вход требуется по два элемен­та. Подобным же образом организуются элементы двухступенчатой логики с большим числом входов.