книги из ГПНТБ / Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие

меров. Плотность монтажа на кристалле достигнет 100 000 компонентов на 1 см3. Однако после размещения интегральной схемы в отдельном корпусе плотность мон­ тажа снижается до 200—1000 компонентов на 1 см3. При небольших размерах, весе и потребляемой мощности, ин­ тегральные схемы характеризуются высокой надежнос­ тью, сравнимой с надежностью одного отдельно взятого транзистора. Это объясняется в основном исключением большого количества малонадежных межкомпонентных соединений.

Гибридная технология производства элементов ис­ пользует интегральные и тонкопленочные технологичес­ кие процессы. В логических элементах, выполненных по гибридной технологии, активные компоненты могут из­ готовляться в полупроводниковых областях подложки, а для изготовления пассивных компонентов используют­ ся тонкие пленки.

Развитие микроэлектроники вызвало необходи­ мость введения новых терминов, в настоящее время еще окончательно не установившихся. Приведем определе­ ния терминов, которые будут использованы при дальней­ шем изложении материала.

Микромодулем называется совокупность дискретных миниатюрных радиодеталей (транзисторов, диодов, ре­ зисторов, конденсаторов, индуктивностей и пр.) упоря­ доченной формы, размещенных на изолирующих плас­ тинках с высокой плотностью монтажа.

Тонкопленочные логические элементы — это элемен­ ты, которые выполняются путем нанесения на изолирую­ щие подложки тонких проводящих и диэлектрических пленок.

Гибридные элементы—это элементы, которые созда­ ются с использованием интегральных и тонкопленочных технологических методов.

Интегральные элементы представляют собой закон­ ченные электронные приборы, содержащие активные и пассивные компоненты нераздельно (интегрально), вы­ полненные на полупроводниковом кристалле.

Интегральные схемы обладают наибольшей надеж­ ностью, высокой плотностью упаковки и наименьшей сто­ имостью, что позволяет считать их самыми перспектив­ ными логическими элементами.

В микроэлектронных цифровых устройствах широко применяются логические элементы потенциальной сис­

150

темы, так как эта система из-за отсутствия в электри­ ческих схемах элементов реактивностей (емкостей и ин­ дуктивностей) наиболее технологична в интегральном ис­ полнении. Поэтому современная интегральная схема со­ держит один или несколько потенциальных логических элементов, таких как триггер, клапан, одновибратор, ин­ вертор, усилитель-формирователь и т. д., интегрально вы­ полненных в полупроводниковом кристалле в виде от­ дельного электронного прибора, реализующего нужную логическую функцию.

Использование систем интегральных логических эле­ ментов для построения устройств ЦВМ позволяет резко повысить надежность и снизить габариты, вес и потреб­ ляемую мощность ЦВМ. При этом чем более сложная логическая схема сформирована в интегральном элемен­ те, изготовленном на монолитной кремниевой пластине, тем выше надежность ЦВМ. Это объясняется резким снижением числа паяных, сварных и разъемных межсо­ единений, наличие которых значительно понижает об­ щую надежность ЦВМ.

тегральных логических элементов. Существующие ком­ плексы интегральных элементов принадлежат к потенци­ альной системе. Их принято классифицировать по типу компонентов, на которых реализуются логические функ­ ции. Можно выделить основные, наиболее часто упот­ ребляемые типы интегральных элементов:

потенциальные элементы резисторно-транзисторной

логики; потенциальные элементы резисторно-конденсаторной

транзисторной логики; потенциальные элементы диодно-транзисторной ло­

гики; потенциальные элементы транзисторно-транзисторной

логики; потенциальные элементы транзисторной логики

с эмиттерными связями.

Рассмотрим их схемные особенности.

151

Потенциальные элементы резисторно-транзисторной логики (РТЛ) в гибридном и интегральном исполнении широко используются в ЦВМ.

Схема типового клапана ИЛИ — НЕ РТЛ показана на рис. 3-16.

Типовой модуль схем РТЛ обычно содержит два трех­ входовых клапана ИЛИ — НЕ (И—НЕ) или один шести­ входовой клапан ИЛИ — НЕ (И—НЕ). Параметры, ха­ рактерные для схем РТЛ, приводятся в табл. 3-9.

Для схем РТЛ характерно неравенство входных то­ ков, текущих к базам параллельно включенных входных транзисторов, возникающее из-за разброса напряжений база—эмиттер входных транзисторов. Увеличивая соп­ ротивления входных базовых резистров R\, можно умень-

Т а б л и ц а 3-9

152

Шить неравномерность распределения токов, но при этом увеличатся напряжения питания, потребляемая мощ­ ность, перепады выходных напряжений и уменьшится бы­ стродействие за счет возрастания времени выключения транзисторов. Сопротивление R і определяется в резуль­ тате компромисса между быстродействием и нагрузочной способностью схемы. Поэтому параметры комплекса РТЛ, как видно из табл. 3-9, сравнительно невысоки.

Комплекс потенциальных элементов резисторно-тран­ зисторной логики обычно содержит клапаны И—НЕ (ИЛИ—НЕ), усилитель с нагрузочной способностью до 30, полусумматор и триггер с установочными входами

Б. П О Т Е Н Ц И А Л Ь Н Ы Е Э Л Е М Е Н Т Ы Р Е З И С Т О Р Н О -К О Н Д Е Н С А Т О Р Н О Й Т Р А Н З И С Т О Р Н О Й Л О Г И К И (Р К Т Л )

Элементы резисторно-конденсаторной транзисторной логики (РКТЛ) отличаются от элементов РТЛ только наличием конденсаторов, которые шунтируют базовые резисторы клапанов. Введение конденсаторов в схему

Рис. 3-17. Схема типового клапана РКТЛ (ИЛИ—НЕ).

клапана РКТЛ позволило уменьшить неравномерность распределения токов, свойственную клапану РТЛ, пу­ тем увеличения сопротивления базового резистора. При этом быстродействие клапана несколько снизилось. Схе­ ма типового клапана РКТЛ показана на рис. 3-17.

Набор потенциальных элементов РКТЛ в определен­ ной степени повторяет набор элементов РТЛ. Типичные характеристики логических схем РКТЛ приводятся в табл. 3-10.

153

Одной из разновидностей схем РКТЛ является так называемая потенциальная система элементов с ^С-свя- зями. Она отличается от схем РКТЛ тем, что в цепях за­ несения информации на триггеры отсутствует базовый резистор R ь но остается конденсатор Сь Такая модер­ низация позволяет производить импульсный запуск триг­ геров через разделительные емкости, что во многих слу­ чаях снижает аппаратные затраты. Схемы РКТЛ в ин­ тегральном исполнении используются редко, так как из­ готовление конденсаторов (более 50Пф ) методами ин­ тегральной технологии сопряжено с большими труднос­ тями.

Т а б л и ц а 3-10

Параметр Клапан Триггер

В . П О Т Е Н Ц И А Л Ь Н Ы Е Э Л Е М Е Н Т Ы Д И О Д Н О -Т Р А Н З И С Т О Р Н О И Л О Г И К И (Д Т Л )

Схема интегрального элемента диодно-транзисторной логики (ДТЛ) показана на рис. 3-18 и представляет со­ бой клапан И—НЕ для положительных сигналов высоко­ го уровня или клапан ИЛИ—НЕ для сигналов низкого уровня напряжения. В отличие от диодно-транзисторно­ го клапана И—НЕ, собранного из дискретных радиоком­ понентов, в интегральном клапане ДТЛ отсутствует ба­ зовый резистор или базовая ^С-цепь смещения, а фун­ кцию смещения уровня выполняет пара последовательно включенных диодов Д 0. Кроме того, резистор, подклю­ ченный к базе транзистора, вследствие отсутствия RC- цепи подсоединяется другим своим концом не к источни­ ку отрицательного напряжения смещения, а непосредст­ венно к эмиттеру транзистора. Использование запертых диодов смещения для образования порогового уровня

154

обеспечивает устройствам ЦВМ, построенным на элемен­ тах ДТЛ, высокую помехоустойчивость.

Набор потенциальных элементов ДТЛ обычно сос­ тоит из основного логического клапана И—НЕ или ИЛИ—НЕ с возможностью расширения входной логики, элемента-расширителя И —ИЛИ и триггеров со счетным и установочными входами. Потенциальные элементы ДТЛ

обладают высоким быстродействием, большим коэффи­ циентом объединения по входу, большим нагрузочным коэффициентом, высокой помехозащищенностью и в си­ лу этих причин широко используются в системах логи­ ческих элементов, выполненных с использованием дис-

Т а б л и ц а 3-11

155

кретных радиокомпонентов и на основе гибридной и ин­ тегральной технологии.

Типичные характеристики интегральных логических элементов ДТЛ приводятся в табл. 3-11.

Г . П О Т Е Н Ц И А Л Ь Н Ы Е Э Л Е М Е Н Т Ы Т Р А Н З И С Т О Р Н О -Т Р А Н З И С Т О Р Н О Й Л О Г И К И (ТТЛ )

Схема типового клапана транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) показана на рис. 3-19, а. Основное отли­ чие клапана ТТЛ от клапана ДТЛ состоит в том, что

О

Рис. 3-19. Схема типового клапана ТТЛ (И—ИЛИ—НЕ) (а) и клапана-расширителя входной логики (И—ИЛИ) (б).

156

157

и транзистор Г4 открывается. На входе клапана возника­ ет сигнал логической 1.

Транзистор Г4 выполняет функции коллекторного ре­ зистора с переменным сопротивлением для транзистора Г5. Резистор R4 имеет небольшое сопротивление и слу­ жит для ограничения выходного тока. Активное перек­ лючение транзисторов Г4 и Г5 позволяет клапану ТТЛ работать на большое число нагрузок. Типовой клапан ТТЛ реализует функцию И—НЕ для сигналов логичес­ кой 1, представленных высоким уровнем, или функцию ИЛИ—НЕ для сигналов логической 1, представленных

(«входной логики») по ИЛИ. Логическую функцию та­ кого клапана записывают как И—ИЛИ—НЕ. При под­ ключении к точкам А и В основного клапана ТТЛ точек А' и В' вспомогательного клапана-расширителя (рис. 3-19,6) логическая функция, выполняемая такой схемой, записывается как 2И—ИЛИ—НЕ.

Комплексы потенциальных элементов ТТЛ имеют в своем составе несколько логических элементов. Основ­ ным логическим элементом является клапан И —НЕ (ИЛИ—НЕ) с возможностью расширения группы вхо­ дов по ИЛИ. Кроме того, в состав комплекса входят вспомогательный расширитель и триггеры.

Д . П О Т Е Н Ц И А Л Ь Н Ы Е Э Л Е М Е Н Т Ы Т Р А Н З И С Т О Р Н О Й Л О Г И К И С Э М И Т Т Е Р Н Ы М И С В Я З Я М И (Т Л Э С )

Быстродействие всех рассмотренных ранее логичес­ ких элементов ограничено временными задержками, ко­ торые вызваны процессами накопления неосновных носи­ телей в базах транзисторов, работающих в режиме на­ сыщения. Существенно большее быстродействие имеют цифровые схемы транзисторной логики с эмиттерными связями (ТЛЭС), в которых транзисторы при работе не входят в насыщение. Элементы ТЛЭС работают по прин­ ципу переключения токов при малых изменениях вход­ ных напряжений. Вследствие этого элементы ТЛЭС час­ то носят название логических схем с переключателями тока.

Простейшая схема ТЛЭС (переключатель тока) по­ казана на рис. 3-20, а и состоит из двух транзисторов Т\

158

и ?2 с общим эмиттерным резистором Ra. База тран­ зистора Т2 заземлена. Входом логического элемента ТЛЭС является база транзистора Ть на которую пода-

|Зі/ха д ?

_j~“бі/яод .?

Рис. 3-20. Схема переключателя тока (а) и схема трехвхо­ дового типового клапана ТЛЭС (б).

ется сигнал, принимающий симметричные значения от­ носительно потенциала «земля». Схема ТЛЭС имеет два выхода с коллекторов.транзисторов Ті (инвертор) и Т2 (повторитель), сигналы на которых имеют парафазный характер, так как в зависимости от полярности входного напряжения открытым оказывается только один тран­ зистор. Транзистор Т1 открывается при поступлении на его базу сигнала -f £/і, а транзистор Т2 открывается в том случае, если на базу транзистора Т\ поступил сиг­ нал —и 0.

159