6.2. Биполяр транзистордағы сандық имс негізгі типтері

Сандық (логикалық) ИМС әртүрлі логикалық функцияларды құруға, ақпараттар мен басқа да операцияларды сақтауға арналған және онда ЭВМ арифметикалық, сақтау және басқару құрылғыларын жасауға болады.

Биполяр және МДШ транзисторлардағы сандық ИМС кеңінен таралған. Сандық ИМС дамуы логикалық схемалар типінің үздіксіз өсуімен байланысты. Сонымен қатар жұмыс температурасының кең диапазонында жоғары сенімділік пен бөгеуге қарсылықты, үлкен жылдамқозғалғыштық пен аз қуат жұмсауды, жоғары радияциялық тұрақтылық пен құнының төмен болуын қамтамасыз етуі керек.

Сандық ИМС классификациясы әртүрлі қасиеттерге байланысты бөлінеді: сигнал түрі, негізгі логикалық схеманың түрі, қолданылатын транзисторлар түрі, олардың жұмыс режимі, негізгі параметрлері бойынша және т.б.

Сандық ИМС екілік айнымалы кодтау әдісіне байланысты сигнал түрі бойынша - импульсті, потенциалды және импульсті-потенциалды болып бөлінеді. Демек, сандық ИМС элементтік құрылымы да өңделетін сигнал түріне байланысты анықталады. Барлық сандық ИМС арасында потенциалды микросхемалар кең таралған. Бұл кез келген қиындықтағы потенциалды ИМС реактивті элементтерсіз құрыла алатындығымен түсіндіріледі. Потенциалды ИМС өзгешелік қасиеттері кіріс және шығыс элементтерінің арасында тұрақты токтың болуымен және шектелген (импульс) немесе шектелмеген (деңгей) ұзындықты сигналдар көмегімен басқа микросхемаларды басқара алуымен байланысты.

Потенциалды ИМС схемотехникалық орындалуының көптүрлігі типті базалық функционалды элементтерге негізделген. Орындалатын логикалық функциялардың түріне байланысты микросхеманың функционалдық элементтерін шартты түрде екі классқа бөледі: 1) ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ, ЕМЕС, ЖӘНЕ -ЕМЕС, НЕМЕСЕ- ЕМЕС қарапйым логикалық функцияларын орындайтын бірсатылы логиканың функционалды элементтері; ЖӘНЕ- ЕМЕС, НЕМЕСЕ -ЕМЕС логикалық функцияларын орындайтын микросхемалар; негізгі логикалық ИМС деп аталады; 2) ЖӘНЕ- НЕМЕСЕ, НЕМЕСЕ- ЖӘНЕ, ЕМЕС –ЖӘНЕ- НЕМЕСЕ, ЖӘНЕ –НЕМЕС- ЕМЕС, ЖӘНЕ –НЕМЕСЕ- ЖӘНЕ , т.б. күрделі логикалық функцияларын орындайтын екісатылы логика элементтері.

m кірісі бойынша бірігу коэффициенті.

m кірісі бойынша бірігу коэффициенті функционалды ИМС элементінің логикалық кірістерінің максималды санын сипаттайды. m коэффиценті өскен сайын ЖӘНЕ-ЕМЕС, НЕМЕСЕ-ЕМЕС элементтері функциясының орындалу есебінен микросхеманың логикалық мүмкіндігі кеңиеді; сонымен бірге күрделі құрылғы жасау үшін сол микросхемалардың саны аз болуы керек. Бірақ, m коэффициентін өсуі микросхеманың негізгі параметрлері жұмыс істеу жылдамдығын, статистикалық шуылға тұрақтылығын, жүктеу мүмкіндігін төмендетеді. Бірігу коэффициентін ЖӘНЕ- m_және кірісі және НЕМЕСЕ- m_немесе кірісі арқылы ажыратуға болады. Ал микросхемаларды қарапайым логикалық операциялар схемасының іске асуы бойынша ажыратады. ИМС-нің қолданылып жүрген серияларында логикалық элементтер аз кіріс санымен іске асады (m_И =2:6, m_ИЛИ=2:4 ). m коэффицетін өсіру үшін ИМС сериясына арнайы «логикалық кеңейткіш» схемасын енгізеді, оның енуі негізгі элементтің m_және және m_немесе козффициетін 10 немесе одан да жоғары деңгейге жеткізуіне мүмкіндік береді.

Сигналдың орташа кешігу уақыты t_з.ср .

t_з.cр сигналдың орташа кешігу уакыты сандық ИМС-нің жылдам әсер етуін сипаттайтын кең таралған параметр болып табылады. Ол құрылғыдағы бір ИМС-дан өткен сигналдың орташа уакытын анықтайды. Егер тізбек тізбектеле қосылған бір типті N логикалық ИМС-дан тұратын болса (N-жұп сан) , онда сигналдың тізбек бойынша өту уакыты

Ондағы - бір ИМС-нің өшірілу және қосылу кезіндегі кешігу уакыты.

Сонымен, орташа кешігу уакыты анықтамаға сәйкес

немесе

t_з.cр параметрі микросхемадағы транзистордың жұмыс істеу режиміне және қолданылатын қуатқа байланысты.

Статикалық шуыл тұрақтылығы .

Статикалық шуылтұрақтылық микросхемаға әсер ететін статикалық шуылдың максималды рұқсат етілген кернеуін сипаттайды. Сандық ИМС статикалық режимде тек екі күйде ғана бола алады- ашық және жабық. Сондықтан шуылтұрақтылықты жабық схеманың ашық шуылға қатынасымен, ашық схеманың бекітілген шуылға қатынасымен сипатталады. Статикалық шуыл деп схемадағы өтпелі процестердің ұзақтығын арттыратын , деңгейі белгілі бір уақытты тұрақты болып қалатын шуылды айтады. Осындай шуылдың пайда болу себебі көбінесе құрылғының микросхемаларын жалғайтын өткізгіштегі кернеудің құлауының әсерінен. Анағұрлым қауіпті шуыл қорек шинасында пайда болады.

Шуыл әсеріне кіріс сипаты разбросқа ие және логикалық төменгі деңгейідегі микросхемалар сезімтал болып келеді. Сондықтан, сандық ИМС-нің шуылтұрақтылығы схеманың типіне, транзистордың жұмыс істеу режиміне қорек көзінің кернеуіне және топологияға тәуелді. Көбінесе, кіріс бойынша максималды рұқсат етілген статикалық шуыл кернеуінің абсолютті емес мәні қолданылады, ал олардың кернеуге қатынасы логикалық деңгейдің минималды мәнін береді. Бұл жағдайда микросхеманың шуылтұрақтылығы статикалық шуылтұрақтылық коэффициеті деп аталатын шексіз шамамен сипатталады:

Бұл коэффициент әртүрлі типтегі сандық ИМС-ні псалыстырғанда өте тиімді.

Қуат

Микросхеманың қорек көзінен пайдаланылатын қуаты былай анықталады:

Мұндағы - j- қорек көзіндегі кернеу; - схеманың сәйкес шығысындағы ток.

Микросхемада қолданылатын қуат әрқашанда тұрақты болмайды, ол логикалық күйге және схеманың логикалық элементінің типіне тәуелді, сонымен қатар қуаттың қосылуына байланысты өзгеріп отырады. Сондықтан да, негізгі параметр ретінде микросхема үшін қуаттың орташа мәні қолданылады.

Мұндағы Р₀ және Р₁- микросхеманың «өшірулі» немесе «қосулы» күйіндегі

Сандық ИМС қолданатын қуат былай бөлінеді:

Жоғарғы қуатты қолданатын сандық ИМС үлкен жылдамдықпен сипатталады және есептегіш құрылғыларда қолданылады. ИМС-нің қолданатын қуат мөлшерін азайту микроэлектрониканың ең үлкен мәселесі болып келеді.

§6.3 ИМС-нің негізгі логикалық функциялары схемотехникасының іске асуы

Негізгі логикалық функцияларының схемотехникалық іске асуында биполярлық транзисторлардағы логикалық ИМС келесі топтарға бөлінеді:

1) Тікелей байланысты транзисторлылар деп- логикалық элементтер арасындағы тікелей байланысы бар транзисторлы логиканы айтамыз (ТЛНС);

2) Резистивті байланысты транзисторлылар - резистивті-транзисторлы логика (РТЛ);

3) Резисивті-сыйымдылықты байланысы бар транзосторлылар- резисивти-сыйымдылықты транзисторлы логика (РТЕЛ);

4) Диодты-транзисторлы-диодты-транзисторлы логика (ДТЛ);

5) Транзистор-транзисторлы логика (ТТЛ);

6) Эмиттерлі байланысы бар транзисторлылар (токтық кілттер немесе қайта қосу тогы)- эмиттерлі байланыс логикасы (ЭСЛ);

7) Диодты матрица (ДМ);

ЖӘНЕ-ЕМЕС немесе НЕМЕСЕ-ЕМЕС функциялары іске асатын сандық ИМС-нің әр типіне оң және теріс қасиеттерінің белгілі бір комбинациясы тиесілі. ИМС-нің схемотехникасын осы қасиеттеріне байланысты қарастырамыз.

Тікелей байланысы бар транзисторлы ИМС біліктілер ішіндегі бірінші схемотехникалық бағыт болып табылады. 6.2 – суретте осы типтің НЕМЕСЕ-ЕМЕС функциясы орындалатын логикалық схема көрсетілген. Схеманың артықшылығы қарапайым ТЛНС, аздаған қуат және жоғары жылдамдық қолданылады; кемшілігі- транзисторлардың кіріс сипаттамаларына разбростың әрекет етуі.

6.2-сурет ТЛНС негізгі логикалық схемасы

Сондықтан, кіріс бойынша жоғары бірігу клэффициентіне ие бола тұрып ,ТЛНС схемалары жоғары жүктеме қабілетін қамтамасыз етпейді және шуылтұрақтылығы өте төмен болады .

ТЛНС схемасын құру үшін, гибридті ИМС-де

6.2-сурет ТЛНС негізгі логикалық

схемасы

шынайы тосқауыл болатын,кіріс кедергісі бірдей транзисторлар жинағы қажет. ТЛНС схемасы шалаөткізгішті ИМС-нің 102 және 103 серияларында қолданылады.

Ары қарай транзисторладың схемасының сипаттамасын жақсарту резисивті (РТЛ) және резисивті сыйымдылықты элементтер (РЕТЛ) арасында компенсирленген байланысы бар ИМС-ның құрылуына байланысты. РТЛ схемасында (6,3-а,б-сурет) кіріс кедергісіндегі разброс транзисторладың база тізбегінде резисторлардың қосылуынан болады. Бұл шуылтұрақтылықты көбейтуге, жұмыс тогын азайтуға, m және n коэффициенттерін әлде қайда жоғары мәнмен қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Бірақ, РТЛ схемасында жылдамдық азайып кетеді . РТЛ схемасының базасында шалаөткізгішті 113, 114 сериялары, ал гибридті ИМС-да 201,205,216 сериялары жасалып шығарылды.

6.3-сурет РТЛ негізгі логикалық схемасы

а- резисивті байланыспен; б- резисивті-транзисторлы байланыс

РТЛ схемасының жылдамдығын арттыру үшін базалық резисторларға параллелді форсирлеуші конденсатор қосады (6.4-сурет), нәтижесінде РЕТЛ схеманың логикалық схемасы шықты. Бұл схеманың параллельді жылдамдығы сақтаған кезде тең болды. РЕТЛ схемасы қарапайым және үнемді. Оларды ИМС шалаөткізгішінің 110-серияларында қолданады.

Көп қиындықтар резистивті және резисивті-сыйымдылықты байланысы бар транзистор схемасының қолданылуына байланысты болады. Бұл қиындықты логикалық элементтің кіріс тізбегіне диод қосу арқылы құтылуға болады. Осыған байланысты ДТЛ схемасы пайда болады.ДТЛ схеманың көмегімен диодтың кернеуіне тәуелді түрде ЖӘНЕ-ЕМЕС және НЕМЕСЕ-ЕМЕС функцияларын іске асыруға болады. ДТЛ схемасы универсал және арзан тұрады. ЭВМ сандық құрылғыларын жасау үшін қолданылатын логикалық схемаларға қарағанда ДТЛ схемасы дискритті автоматика құрылғыларында кең қолданылады. Онда жылдамдық, қуат және шуылтұрақтылық сияқты негіз параметрлері бар.

6.4-сурет РЕТЛ негізгі логикалық 6.5-сурет. Қарапайым инверторлі ДТЛ

схемасы негізгі логикалық схемасы

ЖӘНЕ-ЕМЕС функциясын іске асыратын қарапайым ДТЛ схемасы 6.5-схемасында көрсетілген. Схема ЖӘНЕ функциясын құратын m кіріс диоды мен R₁ резисторынан тұрады. Д_см1 және Д_см2 диоды схеманың бекіту босағасын кеңейту және шуылтұрақтылығын көбейту үшін қолданылады. Қоспа диодтарды кернеудің диод кірісіне түсуі кезінде транзистордың қосылуына кедергі жасамау үшін қолданылады. Қарапайым инвертор логикалық ЕМЕС функциясын және сигнал күшейтуді орындайды. Схеманың негізгі элементі инвертордың жабық күйінде де токты қоспа диод арқылы жіберетін резистор R₂ болып табылады. R₂ резисторын жеке қорек көзіне қоскан кезде жылдамдық және бекіту босағасы артады. ЖӘНЕ (НЕМЕСЕ) және ЕМЕС элементарлы логикалық операциялары ДТЛ схемасының әртүрлі элементтерімен іске асатын болғандықтан, оған кіріс диодтарын қосып отырып кіріс санын көбейтуге болады. ТЛНС, РТЛ және РЕТЛ схемаларынан қарағанда ДТЛ схемасының артықшылықтарының бірі осы.

Ары қарайғы ДТЛ схемасын жетілдіру үшін қолданылатын қуатты азайтып және жүктеу мүмкіндігін көбейту мақсатында инверторды күрделендіру. ДТЛ схемасы шалаөткізгіш ИМС-да оңай іске асады.

ТТЛ схемаларында кіріс тізбегінде көпэмиттерлі транзисторлар қолданылады (6.6а-сурет). Ол құрлысы бойынша және басқада маңызды параметрлері бойынша ДТЛ схемаға ұқсас келеді. Көпэмиттерлі транзистордың эмиттерлі өткелі ДТЛ схемасында диодтардың аналогты функция ретінде жұмыс істейді, ал коллекторлы өткел қоспа диоды ролін атқарады. Көпэмиттерлі транзистор- ортақ коллекторы және тікелей бір біріне әсер ететін негізіг заряд тасымалдаушыларға ие, транзисторлы структураның ұштасуын көрсететін, спецификалық интегралды шалаөткізгіш прибор.

6.6-сурет. Қарапайым (а) және күрделі (б) инверторлі ТТЛ негізгі логикалық схемасы

ТТЛ схемасы жоғары жылдамдығымен ( t_з.ср=6:15нс) және қолданылатын қуатының аздығымен (45-15мВт). Шуылтұрақтылығын және жүктеу мүмкіндігін жоғарлату үшін күрделі инвертордан тұратын ТТЛ-схемасы қолданылады. (6.6б-сурет)

Қазіргі кезде ТТЛ схемасы анағұрлым танымал. Ол шалаөткізгіштік технологияда негіз әдіс ретінде қолданылады. ТТЛ негізінде, ЭВМ-де кең қолданылатын, ИМС шалаөткізгішінің тұтас кешені әзірленген.

Жоғары өндірісті ЭВМ және жоғары жылдамдықты автоматикалық жүйені құрастыру үшін, ЭСЛ схема деп аталатын, ток қосқышындағы сандық ИМС анағұрлым перпективалы. Олардың жоғары жылдамдығы транзистордың қанығу режимінде жумыс істеуін, логикалық деңгейінің аз түсуін,кіріс кедергісінің аз болуын қамтамасыз етеді.

6.7-суретте көрсетілген ЭСЛ схемасында екі бөліктен тұрады: айырып-қосқыш ток (дифференциалды күшейткіш) және эммитерлі қайталағыш. Эмиттерлі қайталағыш қуат күшейткіші ролін орындай отырып, схеманың кіріс және шығыс арасындағы мәмілені және жоғары жүктеме мүмкіндігін қамтамасыз етеді. ЭСЛ схема негізінде жасалған 137-сериялы интегралды микросхема жоғары жылдамдықпен (t_з.ср=2:7 нc) , жүктеме мүмкіндігімен (n жүзге жетуі мүмкін), шуылтұрақтылығымен ( UΔ=0,8В болған кезде U_П=0,2В) сипатталады. 137-сериялы схемалар қолданатын жылдамдыққа тәуелді қуат Р_ср=45:120 мВт. 137-сериялы ИМС планарлы-эпитаксиалды технолагиямен жасалынады.

Диодты матрица (ДМ) бір-бірімен белгілі бір принцип бойынша байланысатын жылдам әсер етуші диодтардың жиынтығын көрсетеді. Диодты матрица көбінесе жылдам әсер етуші логикалық элемент ретінде гибридті ИМС-да қолданылады.