5.2. Серии лэ и основные параметры

Основные свойства цифровых интегральных микросхем (быстродействие, потребляемая мощность, степень интеграции) зависят от параметров ЛЭ, которые в свою очередь определяются их структурой, схемой и технологией изготовления. В схеме логического элемента условно выделяют усилитель-инвертор и входную или выходную логику (рис.5.4,а).

a)

+V

Рис.5.4.Структура ЛЭ (а) и входная логика И (б), ИЛИ (в)

Логика, например, входная может быть смоделирована с помощью идеальных диодов. Для схемы «И» (рис.5.4,б) высокое напряжение на выходе будет в интервале времени, когда закрыты все диоды (на всех входах присутствует единичный уровень). На выходе схемы «ИЛИ» (рис.5.4,в) высокое напряжение появится, если открыт хотя бы один диод, т.е. на его входе присутствует высокое напряжение.

При моделировании логической схемы идеальными диодами характеристики ЛЭ по одиночному входу совпадают с аналогичными зависимостями инвертора, в качестве которого используют один видов транзисторных усилительных каскадов.

Цифровые интегральные схемы выпускают сериями, изготовленными в едином конструктивно - технологическом исполнении. Микросхемы одной серии полностью совместимы по электрическим параметрам. Разновидности ЛЭ одной серии имеют сходные схемные решения и близкие параметры.

Развитие схемотехники и технологии сопровождается постоянной расширяется модифицикацией ЛЭ и созданием новых серий, обладающих широким спектром значений различных параметров. Для каждой конструктивно – технологической разновидности ЛЭ (биполярные ТТЛ, ЭСЛ, И²Л, ШТЛ, полевые NМОП, КМОП, МЕП) можно привести типовое схемное решение.

Среди биполярных микросхем долгое время преимущественное распространение имели элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), отличительным признаком которой является использование многоэмиттерного транзистора (МЭТ) на входе (рис.5.5,а).

Рис.5.5. Логические элементы ТТЛ (а), ТТЛШ (б), ШТЛ (в), КТТЛ (г)

Типовые вентили ТТЛ с МЭТ и двухкаскадным инвертором, обеспечивающим высокую нагрузочную способность (коэффициент разветвления по выходу К_раз > 10) применяют в периферийных блоках ИМС для подключения к внешним линиям связи. При номинальном напряжении электропитания V =(+5 0,5) В значения выходного напряжения принимаются стандартными (низкого U⁰  0…0,4 В и высокого U¹  2,4…4,2 В уровней).

С помощью управляющего транзистора T_Z схема реализует z состояние элемента. При подаче на вход ОЕ высокого напряжения U¹ потенциал коллектора T_Z и базы Т₃ близок к нулю, что приводит к запиранию выходного транзистора; транзистор Т₄ также закрыт за счет напряжение логического нуля на входе МЭТ, подключенном к T_Z и схема оказывается отключенной от шин электропитания.

Во внутренних блоках БИС используют ЛЭ на транзисторах Шоттки (ТТЛШ) с простым инвертором (рис.5.5,б) для повышения быстродействия. Передаточная функция ЛЭ совпадает с проходной характеристикой каскада по схеме ОЭ в режиме большого сигнала. При пониженном напряжении питания V = 2…3 В элемент обеспечивает задержку t_зд  (1..2) нс и мощность Р  (5…20)мВт/ вентиль, но имеет по сравнению с типовой ТТЛ схемой более низкую помехоустойчивость и малую нагрузочная способность.

Основными недостатками ТТЛ, ограничивающими их применение в БИС, является сложность технологии, большое число компонентов (в том числе резисторов), и сравнительно большая потребляемая мощность. Снижение работы переключения достигают заменой МЭТ сборкой из диодов Шоттки Д₁ , Д₂ (рис.5.5,в).

Развитие технологии и получение приемлемых параметров p-n-p транзисторов привело к созданию экономичных комплементарных ТТЛ (КТ²Л) элементов (рис.5.5,г), имеющих большую нагрузочную способность.

Высокая плотность упаковки благодаря отсутствию резисторов и изоляционных островков в единой для всей ИМС эмиттерной области получена в элементах интегральной инжекционной логики И²Л на основе многоколлекторных транзисторов с инжекционным питанием (рис.3.7). Использование для нескольких ЛЭ одного низковольтного источника электропитания (V 1,2 В) обеспечивает небольшое потребление микросхемы. Основными недостатками И²Л являются низкая помехоустойчивость как следствие несимметричной формы проходной характеристики и малого логического перепада, а также большое время задержки на элемент из-за насыщения транзисторов. Повышения быстродействия достигают заменой многоколлекторного транзистора И²Л диодной структурой в элементах Шоттки транзисторной логики (ШТЛ) (рис.5.6,а).

Рис.5.6. Элемент ШТЛ (а), его обозначение (б) и реализация логической функции (в)

Логические элементы И²Л и ШТЛ с выходной логикой выполняют функцию одновременной инверсии по всем выходам (рис.5.6,б). Для реализации сложной логической функции следует объединить выходы нескольких инверторов и подключить их к входу последующего ЛЭ (рис.5.6,в). Проходная характеристика ЛЭ имеет уровни напряжения нулевого и единичного сигналов отличающиеся от стандартных уровней ТТЛ и функционирует только в составе однотипных элементов.

Наиболее быстродействующие биполярные элементы строят на основе переключателя тока (балансного каскада) на транзисторах, работающих в активном режиме, которые в сочетании с малым логическим перепадом обеспечивают быстрое переключение элемента. Приведенную структуру (рис.3.6,а) называют эмиттерно – связанной логикой (ЭСЛ) или транзисторной логикой на переключателях тока (ТЛПТ). Особенностью элементов ЭСЛ является отрицательное напряжения питания, использование которого ослабляет влияние нестабильности этого напряжения.

Исключение режима насыщения транзисторов обеспечивает высокое быстродействие элемента, которое напрямую связано с его потреблением. Вследствие малого логического перепада (рис.3.6,б) элементы ЭСЛ имеют низкую помехоустойчивость. Уровни выходных сигналов имеют отрицательные значения и несовместимы с другими типами ЛЭ.

Весьма широкое применение в современных ИМС получили логические элементы на полевых транзисторах. Используют МДП транзисторы с каналами N типа, занимающие наименьшую площадь на кристалле, или с каналами обоих типов проводимости (комплементарные пары), обеспечивающие минимальное потребление энергии.

Основу элементов составляют инвертирующие усилители (инверторы), содержащие управляющий и нагрузочный транзисторы. Для построения базовых ЛЭ используют параллельное (реализуют функцию ИЛИ–НЕ) или последовательное (И–НЕ) соединение управляющих транзисторов. Базовый инвертор определяет основные характеристики элемента, а увеличение числа управляющих транзисторов приводит к изменению сопротивлений и емкостей. В силу подверженности МДП структур действию электростатических помех в схему ЛЭ вводят защитные RС схемы, которые обычно на принципиальных схемах не показывают.

В элементах с одним типом проводимости наибольшее распространение получили схемы на транзисторах с индуцированным n- каналом (рис.5.7,а).

Рис.5.7. Логические элементы ИЛИ–НЕ типа N – МОП (а) и КМОП (б)

Использование слоев поликремния в качестве элементов соединений, отсутствие резисторов и малая площадь элемента позволяет получить степень интеграции на порядок выше, чем ТТЛ. Уровни сигналов полностью совместимы с уровнями ТТЛ.

Применение взаимодополняющих транзисторов (рис.5.7,б) значительно снижает потребление энергии в статическом режиме, т.к. сигналы, отпирающие нижние (управляющие) транзисторы, одновременно закрывают верхние (нагрузочные). В динамическом режиме основное влияние на быстродействие оказывает перезарядка нагрузочной емкости С_н, которая при переключении также определяет потребление энергии. Создание технологии, позволяющей в едином цикле создавать биполярные и полевые транзисторы, привело к разработке элементов БиКМОП (рис.5.8).

Рис.5.8. Структура вентиля БиКМОП

Применение буферного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером в качестве нагрузки КМОП элемента существенно снижает влияние емкости на быстродействие и повышает нагрузочную способность.