2.2.6 Логические элементы интегрально-инжекционной логики (иил)

Для повышения технологичности изготовления при разработке ИС желательно применять схемотехнические решения, использующие только однотипные элементы, например, транзисторы. Этот путь реализован в ИС МДП, что наряду с другими достоинствами является причиной их широкого распространения. Однако, ключ на биполярных транзисторах на сегодняшний день обладает лучшими как ключевыми, так и частотными свойствами. Это является предпосылкой к постоянному поиску новых схемотехнических решений для реализации биполярных ИС. Такой поиск привел к почти одновременной разработке фирмами Philips и IBM элемента интегральной инжекционной логики (И²Л).

Особенностью элементов И²Л является:

1. отсутствие резисторов, что резко упрощает технологию производства ИС;

2. использование токового принципа питания, при котором в ИС задается не напряжение, а ток, который непосредственно инжектируется в область полупроводника, образующего структуру одного из транзисторов;

3. пространственное совмещение в кристалле полупроводника областей, функционально принадлежащих различным транзисторам. При этом структура располагается как по горизонтали (планарно), так и по вертикали. Такое решение позволяет отказаться от применения специальных решений для изоляции областей, принадлежащих различным элементам, как это необходимо делать в элементах ТТЛ и ЭСЛ;

4. малое значение логического перепада, что позволяет максимально увеличить быстродействие элемента;

5. элементы строятся на биполярном транзисторе с непосредственными связями. Площадь элемента на порядок меньше площади элемента ТТЛ. < ;

6. мала потребляемая мощность.

Важной особенностью элемента И²Л является возможность, варьируя ток инжектора в широких пределах, изменять его быстродействие. Реально ток инжектора может изменяться от 1 нА до 1 мА, т. е. на 6 порядков. А поскольку при заданной схемотехнике энергия переключения элемента ‑ величина постоянная, в таких же пределах может изменяться и быстродействие элемента. Важно, что для этого не требуется никаких схемотехнических изменений в элементе.

Рассмотрим основные логические элементы на схемах .

а) Операция НЕ реализуется на одноколлекторном базовом элементе (рисунок 2.37).

В каждом транзисторе в базе присутствует источник тока (инжектор). Входной сигнал х подается на базу, выходной ‑ снимается с коллектора.

В мн огоколлекторном транзисторе несколько коллекторов позволяет получить развязанные логические выходы.

На рисунке 2.38,а приведена схема НЕ, у которой три коллектора, со всех коллекторов снимается .

На рисунке 2.38,б показано условное обозначение , у которой три нагрузки, на рисунке 2.38,в ‑ условное обозначение любого другого стандартного инвертора с тремя нагрузками.

б ) На рисунке 2.39,а представлена схема ИЛИ-НЕ/ИЛИ, а на рисунке 2.39,б – ее условное обозначение. Двухколлекорные транзисторы инвертируют входные сигналы х₁ и х₂. В месте соединения выходов инверторов металлическими проводниками, реализуется операция «Монтажное И», которая обозначается пунктирным прямоугольником вокруг места соединения с надписью над ним . На выходах схемы получаем

в) Схема И/И-НЕ (рисунок 2.40) построена на трех одноколлекторных и двух двухколлекторных транзисторах.

На выходах схемы реализуется функция

С хемы с двухступенчатой логикой (И-ИЛИ, И-ИЛИ-НЕ и т.д.) не реализуются в виде базовых вентилей в .

Таким образом, И²Л позволяет максимально унифицировать структуру ИС, снизив площадь ее кристалла, и либо уменьшить потребление мощности, либо повысить быстродействие.

Типовое время задержки распространения ЛЭ И²Л при токе инжектора 0,1 мкА составляет 10 нс. При этом энергия переключения для этого элемента на несколько порядков меньше, чем для элемента ТТЛ.

Ввиду небольшой помехоустойчивости, обусловленной малым логическим перепадом, ЛЭ И²Л используются исключительно в составе БИС и СБИС и как отдельные ИС малой степени интеграции не выпускаются. При этом входные и выходные цепи ИС, выполненные по технологии И²Л, делаются совместимыми по логическим уровням с сигналами ТТЛ.