Микроэлектроника.-2

390

Транзисторные ИМС с непосредственной связью являются од-

ним из первых схемотехнических направлений. На рис. 8.1 при-

ведена логическая схема этого типа, реализующая функцию

UИ.П

Рис. 8.1. Основная логическая схема ТЛНС

Достоинства схем ТЛНСпростота (используется только два типа элементов), малая потребляемая мощность и высокое быстродействие; их недостаток - влияние на параметры схемы разброса входных характеристик транзисторов. Поэтому, обладая высоким коэффициентом объединения по входу( m ³ 8 ), схемы

В). При построении схем ТЛНС требуется подбор транзисторов с одинаковым входным сопротивлением, что является существенным ограничением для использования в гибридных микросхемах. Применяются схемы ТЛНС в сериях 102 и 103 полупроводниковых ИМС.

Дальнейшее улучшение характеристик транзисторных схем связано с созданием микросхем, имеющих компенсированные свя-

391

зи между элементами - резистивные (РТЛ) и резистивноемкостные (РЭТЛ).

В схемах РТЛ(рис. 8.2, а, б) разброс входных сопротивлений транзисторов компенсируется включением резисторов в базовые цепи транзисторов.

Рис. 8.2. Основные логические схемы РТЛ: а) с резистивнотранзисторной связью; б) с резисторной связью

Это позволяет повысить помехоустойчивость, существенно снизить рабочие токи, обеспечить более высокие значения коэффициентов n и m ( n £ 4 , m ³ 8 ). Однако в схемах РТЛ значительно снижено быстродействие ( t = 30 ¸ 50 нс). На базе схем РТЛ

разработаны серии 113, 114, 115 полупроводниковых и серии

201, 205, 216 гибридных ИМС.

Для повышения быстродействия схем РТЛ параллельно базовому резистору включают формирующие конденсаторы(рис. 8.3), в результате получилась логическая схема РЕТЛ. Предельное

392

Схемы РЕТЛ просты и экономичны, допускают большие разбросы номиналов элементов и напряжений питания. Их используют в серии 110 полупроводниковых ИМС.

Однако ввиду большой площади, занимаемой конденсаторами, микросхемы на основе РЕТЛ наиболее удобны для реализации в гибридном исполнении, где они успешно применяются(серии

204, 216 и др.).

Многие трудности, связанные с применением транзисторных схем с непосредственными, резистивными и резистивноемкостными связями (неравномерное распределение токов во входных цепях, низкая помехоустойчивость, малое быстродействие и др.), можно устранить, если во входную цепь логического элемента включить диоды.

При этом получается схема ДТЛ, с помощью которой в зависимости от включения и питания диодов можно реализовать функции И — НЕ или ИЛИ — НЕ. Схемы ДТЛ универсальны и имеют относительно низкую стоимость. В отличие от других типов логических схем, применяемых в основном для построения цифровых устройств ЭВМ, схемы ДТЛ широко используют и в устройствах дискретной автоматики. В них удачно сочетаются такие важные параметры, как быстродействие, потребляемая мощность и помехоустойчивость.

393

Простейшая схема ДТЛ, реализующая функцию И — НЕ, представлена на рис. 8.4. Схема содержит m входных диодов, которые вместе с резистором R1 реализуют функцию И. Диоды Дсм1 и Дсм2 предназначены для увеличения порога запирания схемы, а следовательно, для увеличения ее помехоустойчивости.

ДСМ 1 ДСМ 2

Вход 2

R2

Вход 3

U2И.П

Вход 4

Рис. 8.4. Основная логическая схема ДТЛ

Смещающие диоды включают для того, чтобы падение напряжения на входных диодах не влияло на переключение транзистора. Простой инвертор выполняет логическую функцию НЕ и усиление сигнала. Необходимым элементом схемы является резистор R2, который в закрытом состоянии инвертора задает ток через смещающие диоды. При подключении к резисторуR2 отдельного источника питания увеличиваются быстродействие и порог запирания схемы. Поскольку элементарные логические операции И (ИЛИ) и НЕ осуществляются различными элементами схемы ДТЛ, легко увеличить число входов путем добавления входных диодов. В этом одно из преимуществ схем ДТЛ по сравнению со схемами ТЛНС, РТЛ и РЕТЛ.

Дальнейшее совершенствование схем ДТЛ идет по пути сокращения потребляемой мощности и усложнения инвертора с целью повышения нагрузочной способности. Схемы ДТЛ наиболее легко реализуются в полупроводниковых ИМС, изготовленных по планарно-эпитаксиальной технологии (серии 104, 109,

394

121, 152, 156, 194), но находят применение и в гибридных ИМС, например серии 217.

В схемах ТТЛ во входных цепях используются многоэмиттерные транзисторы (рис. 8.5, а). По принципу построения, а также по важнейшим параметрам они близки к схемам ДТЛ. Эмиттерные переходы многоэмиттерного транзистора выполняют функцию, аналогичную функции диодов в схемах ДТЛ, а коллекторный переход играет роль смещающего диода. Многоэмиттерный транзистор - специфичный интегральный полупроводниковый прибор, представляющий собой совокупность транзисторных структур, имеющих общий коллектор и непосредственно взаимодействующих друг с другом за счет движения основных -но сителей заряда. Схемы ТТЛ отличаются высоким быстродейст-

б).

Схемы ТТЛ в настоящее время наиболее популярны, они реализуются в основном методами полупроводниковой технологии и имеют малую площадь, занимаемую элементами.

Разработан целый комплекс полупроводниковых ИМС на осно-

ве ТТЛ (серии 106, 130, 133, 134, 135, 136, 155 и др.), которые нашли широкое применение в ЭВМ.

Разновидностью схем ТТЛ являются схемы ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛШ).

UИ.П

UИ.П

395

Эти схемы имеют высокое быстродействие(средняя задержка распространения сигнала 3 нс) благодаря тому, что параллельно переходу база - коллектор транзистора включен диод Шотки, используемый в качестве ограничивающего диода(рис. 8.6). Поскольку этот диод имеет меньшее прямое падение напряжения, чем переход база - коллектор, излишний управляющий ток базы при открывании транзистора отводится через диод, что предотвращает вхождение транзистора в режим насыщения.

Поэтому в области базы не накапливаются избыточные носители заряда. В данных схемах все входные транзисторы ТТЛ имеют фиксирующие диоды Шотки вместо р-n переходов, которые используются в обычных схемах ТТЛ. Более низкое прямое падение напряжения диодов Шотки дает лучшую защиту как

против отпирающих, так и против запирающих помех. Схемы ТТЛШ работают при таких же уровнях сигналов и питающих напряжениях, как и обычные схемы ТТЛ.

Для построения ЭВМ высокой производительности и систем автоматики повышенного быстродействия наиболее перспективны цифровые ИМС на переключателях тока, так называемые схемы ЭСЛ.

396

Их высокое быстродействие обеспечивается ненасыщенным режимом работы транзисторов, малым перепадом логических уровней (~ 0,7 ¸ 0,8 В) и малым входным сопротивлением, которое уменьшает влияние нагрузочных емкостей.

Схема ЭСЛ, представленная на рис. 8.7, состоит из двух частей: переключателя тока (дифференциального усилителя) и эмиттерного повторителя. Эмиттерный повторитель обеспечивает согласование между выходными и входными уровнями схемы и ее высокую нагрузочную способность, выполняя роль усилителя мощности. Разработанные на основе схем ЭСЛ интегральные микросхемы серии 137 характеризуются высоким быстродейст-

Pср = 45 ¸180 мВт; ИМС серии 137 изготовляют по планарно-

эпитаксиальной технологии.

Диодные матрицы (ДМ) представляют собой набор быстродействующих диодов, соединенных между собой по определенному

принципу (от 16 до 1024 элементов и более).

UИ.П 1

397

Диодные матрицы используют как быстродействующие логические элементы в основном в гибридных ИМС.

Логические микросхемы с инжекционным питанием (И2Л) представляют собой микросхемы на биполярных транзисторах, в которых электрическая энергия, необходимая для преобразования сигналов, вводится инжекцией неосновных неравновесных носителей заряда. Они основаны на использовании многоколлекторных транзисторов типа n-р-n в инверсном включении и транзисторов типа p-n-р (рис. 8.8, а, б).

Рис. 8.8. Структура (а) и основная схема (б) логической микросхемы с инжекционным питанием (И2Л)

398

В инжекционном режиме ток питания схемы задается смещением эмиттерного перехода транзистора типаp-n-р. Отсутствие резисторов и изолирующих областей между активными элементами дает возможность существенно повысить плотность размещения элементов на кристалле и способствует снижению потребляемой мощности и повышению быстродействия. Поэтому

этот тип логики находит широкое применение в больших и сверхбольших интегральных микросхемах.

8.4. ИМС транзисторно-транзисторной логики

Схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) наиболее широко применяются в цифровой технике. Это объясняется тем, что микросхемы ТТЛ отличаются высоким быстродействием и малой потребляемой мощностью.

Схемы ТТЛ появились в результате преобразования схем диод- но-транзисторной логики путем замены матрицы диодов многоэмиттерным транзистором, представляющим собой интегральный элемент, объединяющий свойства диодных логических схем и транзисторного усилителя.

Функция И в ТТЛ-ключе выполняется в общих для нескольких эмиттеров базовой и коллекторной областях.

Многоэмиттерный транзистор представляет собой совокупность нескольких транзисторных структур, имеющих общий коллектор и непосредственно взаимодействующих друг с другом только за счет движения основных носителей заряда. На рис. 8,9, а, б показана схема ТТЛ элемента И — НЕ с простым инвертором для различных входных сигналов.

Если на все входы многоэмиттерного транзистора поданы -на пряжения, соответствующие уровню логической«1» (U вх1 ), то

эмиттеры входного транзистора не получат открывающего тока смещения (нет достаточной разности потенциалов).

При этом ток, задаваемый в базу многоэмиттерного транзистора через резистор R1, проходит от источника UИ.П в цепь коллектора IК, смещенного в прямом направлении, и далее в базу транзистора Т2.

Рис. 8.9. Распределение токов в элементе И – НЕ с простым инвертором:

а) — на вход подана логическая «1»; б) — на вход подан логический «0»

Транзистор Т2 при этом находится в режиме насыщения и напряжение на выходе схемы соответствует уровню логического

«0» (U вых0 ). Все транзисторные структуры многоэмиттерного

транзистора находятся в этом случае в инверсном активном режиме, так как их коллекторные переходы смещены в прямом направлении, а эмиттерные - в обратном. Когда на один из входов многоэмиттерного транзистора будет подан сигнал«0»