Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

С=А·В

Базовым элементом ддя микросхем малой и средней интегра­ ции, а также в выходных :каскадах БИС стал элемент со слож­ ным инвертором (рис. 9.13, а). Этот элемент, :как и предьщу­

щий, реализует логическую функцию И-НЕ. Здесь VT1 и R 1

выполняют ту же роль, что и в схеме на рис. 9.12. Остальная часть схемы представляет собой сложный инвертор, где VT2 и

R 2 , R 3 - промежуточный :каскад, а VT3 , VT4 , VT5 и резистор

R4 - выходной :каскад. Транзистор VT5 используется в диодном

включении (Ивк = О). С :коллектора и эмиттера VT2 на базы VT4

и VT3 подаются управляющие сигналы, :которые обеспечивают

противофазное переключение этих транзисторов, т. е. если один

из них включен, то другой выключен. Рассмотрим процессы в этой схеме. Предположим, на одном или нескольких входах

Ивх = u0 =О, т. е. подан логический О. Тогда соответствующие

эмиттеры МЭТ VT1 находятся под нулевым напряжением, их эмиттерные переходы смещены в прямом направлении. Анализ

показывает, что в такой схеме :коллекторный переход находит­ ся в насыщении. При этом ток в :коллекторной цепи и напряже­

ние на :коллекторе Икэ и, следовательно, на базе транзистора

VT2 близки :к нулю. Напряжение Икэ при Iк =О равно Икэ = =<рт ln (1+1/Pr) (где Pr - инверсный :коэффициент передачи то­

ка) и обычно не превышает (2 ... З)<рт, поэтому транзистор VT2 за­ крыт, VT3 также закрыт, а VT4 - открыт, поскольку в его базу втекает ток, задаваемый резистором R 2 • Поскольку VT2 закрыт,

то напряжение на выходе соответствует напряжению высокого

уровня, которое можно оценить по формуле

(9.4)

где 2ИБэ - падение напряжения на эмиттерных переходах тран­ зисторов VT4 и VT5 (величина ИБэ обычно порядка 0,45 ...0,5 В).

Через эти переходы протекает выходной ток, который является

входным током последующих нагрузочных элементов.

При подаче И1 на все ю.шды VT1 транзистор VT2 открывается

коллекторным током входного транзистора VT1 и переходит в режим насыщения. Напряжение на его коллекторе понижается и транзистор VT4 закрывается, а VT3 открывается эмиттерным

током VT2 и насыщается. Выходное напряжение Ивых = u0 опре­

деляется напряжением насыщения VT3 • Назначение транзисто­

ра VT5 заключается в том, чтобы поддерживать закрытое со­ стояние VT4 при понижении выходного напряжения.

Через резистор R 3 протекает базовый ток VT3 во время про­ цесса рассасывания. Резистор R 4 служит для ограничения им­

пульсного тока VT4 при переключении из состояния Ивых = u0 в

состояние Ивых = И1 •

Нагрузочная способность элемента ТТЛ со сложным инверто­

ром в состоянии Ивых = И1 за счет VT4 больше примерно в ~4 раз

по сравнению с простейшим элементом ТТЛ на рис. 9.12. Вы­ ходная характеристика элемента ТТЛ со сложным инвертером

(рис. 9.13, б сплошная линия) подобна по форме выходным харак­ теристикам обычных инверторов (ключей), но идет выше, по­ скольку в этом случае Ивых больше из-за более высокого напряже­ ния источника питания Иип· Однако эта характеристика идет более

полого при некоторых значениях Ивх (участок А на рис. 9.13, б).

Пологий участок А выходной (передаточной) характеристи­

ки можно скорректировать за счет замены резистора R 3 более

сложной корректирующей цепью, включающей, помимо резис­ торов, также и добавочн:i:нй транзистор. В результате выходная характеристика на рис. 9.13, б примет на участке А форму, со­ ответствующую пунктирной кривой.

Логический элемент со сложным инвертором занимает боль­

шую площадь на кристалле, чем элемент на рис. 9.12, и потребля-

с транзисторами, работающими в активном режиме, что исключа­

ет режим насыщения и связанное с ним рассасывание носителей,

уменьшает временную задержку и повышает быстродействие. Простейшими элементами ЭСЛ являются элементы малосиг­

нальной эмиперно-связанной логики (МЭСЛ) (рис. 9.14), которые

используются во внутренних цепях средних интегральных схем

(СИС) или БИС. Приведенная схема содержит два входных

транзистора vтвхl и vтвх2 (в действительности их может быть больше) и генератор тока в форме токозадающего резистора Rэ. Эмиттеры всех транзисторов соединены (связаны), что и опреде­ ляет название логики ЭСЛ. Особенностью применения МЭСЛ

является использование отрицательного напряжения питания

-Иип• что ос.Лабляет влияние его изменения на уровни u0 и И1~

В схеме рис. 9 .14 на инверторном выходе 1 реализуется логиче-

ская функция ИЛИ-НЕ ----+ F 1 = А + В, а на прямом выходе 2 -

функция ИЛИ----+ F2 =А+ В. Опорное напряжение И0п, входные

ивыходные напряжения имеют отрицательную полярность

из-за отрицательной полярности напряжения источника пита­

ния Иип· При Ивх = U 0 < -U0п транзисторы VTвxl и VТвх2 закры­

ты, а VТ0п - открыт. Напряжение на инверсном выходе 1 равно

И1 и определяется падением напряжения на резисторе в коллек­

торной цепи опорного транзистора при протекании выходного

тока Jвых в нагрузке, т. е. И1 = -I;ыхRк = niэRк/(~ + 1) (~ - ко­

эффициент передачи тока последнего ЛЭ). Это напряжение сни­ жается с ростом числа нагрузок (п), что ограничивает нагрузоч­

ную способность этого элемента ЭСЛ в состоянии Ивых = И1 •

·в коллекторной цепи открытого опорного транзистора VTоп про-

два выходных эмиттерных повторителя VTэ.п с резисторами Rэ.п.. Принцип работы этой схемы такой же, как и ранее рассмотрен­ ной, однако их основные свойства могут сильно различаться.

Из-за большего напряжения питания элементы этой ЭСЛ по

сравнению с рассмотренными в МЭСЛ имеют больший логиче­ ский перепад, лучшие помехоустойчивость и нагрузочную спо­

собность, большие Допустимую емкость нагрузки, потребляе­

мую мощность и занимаемую на кристалле площадь. Элементы

ЭСЛ с эмиттерными повторителями применяются в сверхбыст­

родействующих цифровых микросхемах малой и средней степе­ ней интеграции.

Многих из перечисленных недостатков лишены логические

элементы, построенные на основе интегральной инжекционной ло­

гики (И2Л), которые не имеют аналогов в дискретных транзистор­

ных схемах и выполняются только в интегральном исполнении.

Характерной особенностью схем И2Л является индивидуаль­

ное питание базы каждого транзистора от индивидуального ге­ нератора тока. В конструкциях БИС с инжекционным питани­ ем используются сложные биполярные структуры, в которых совмещаются области многоколлекторных транзисторов типов п-р-п ир-п-р (см. гл. 7). В силу таког.о совмещения и пере­

плетения большого количества элементов ИС для ЛЭ И2Л не су­

ществуют (не используются) принципиальные электрические

схемы. Как правило, их работа описывается с помощью экви­ валентных схем. Индивидуальные генераторы тока реализуют­

ся чаще всего с помощью МКТ, включенных по схеме с ОБ. На рис. 9.16 изображена эквивалентная

схема двух посшщовательно включен­

ных ЛЭ [6], где VТт двухколлекторный

токозадающий транзисторр-п-р, под­

соединенный через токозадающий ре­ зистор Rи к цепи питания, явлцющейся общей для всего кристалла БИС. Токоза­

мент. Транзисторы VТп1 и VТп2 называются переключательными и включены по схеме с ОЭ, а токозадающий VТт - по схеме с ОБ.

Термин (jинжекционное питание» означает, что питающие токи образуются за счет инжекции неравновесных дырок в эмит­

терную область инжектора через инжекторный р-п-переход,

напряжение на котором составляет О,7."0,8 В (при Т0 = 25 °С);

токи питания I п одинаковы и равны

Iп = СХнJи·

Если на вход VТп1 подано напряжение Ивхl = И0 ~О, опреде­

ляемое насыщенным (открытым) транзистором предыдущего

логического элемента, то ток I п этого элемента ответвлЯется во

внешнюю цепь (в цепь предыдущего ЛЭ), транзистор VТп1 за­ крыт И его ТОК базы равен нулю. :КолЛеКТОрНЫЙ ТОК VTпl ТОЖе равен нулю и весь ток Iп генератора тока течет в базу транзисто­ ра vтп2 (он открыт и его прямое напряжение база-эмиттер рав­ но 0,5".0, 7 В). На выходе VТп1 (коллектор этого транзистора)

будет такое же напряжение. Это напряжение соответствует И1 ,

т. е. при ивхl = и0 на выходе транзистора vтпl будет ивых = И1 •

При Ивхl = И1 ток I п втекает в базу VTпl, поскольку И~х опре­

деляется коллекторным напряжением закрытого транзистора

предыдущего ЛЭ. Транзистор VТп2 открыт, и ток в его коллек-

торной цепи равен тоже I п• поскольку он вытекает из входа

vтп2• т. е. в ЭТОМ случае для vтпl МЫ имеем Iв = Iк = Iп, транзис­

тор VTпl находится в режиме насыщения, и напряжение на его

выходе равно Ивыхl = U 0 • Аналогичная ситуация будет и для

второго выхода VTпl, если к нему подключены последующие ЛЭ. Таким образом, логическая операция инверсии выполняет­

ся по всем выходам.

Входная характеристика рассмотренного элемента Ивэ = f(I в) при заданном токе инжектора аналогична по форме, а при I и = О

совпадает с характеристикой обычного транзистора. При увели­ чении !и характериртика, сохраняя форму, сдвигается по оси абсцисс в левую сторону. Рабочая область характеристик рас­

полагается при Iв <О. При заданном токе инжектора значение

Ивэ = И1 для Iв =О. Структура, в которой реализована эквива­

лентная схема на рис. 9.16, имеет низкие значения коэффици-

ента передачи ~п = 5 ... 10 переключательного транзистора из-за

его инверсного включения. Минимальный логический перепад

для рассматриваемого элемента составляет Ил= (5 ... 6)<\)т·

К каждому выходу ЛЭ может быть подсоединен только один нагрузочный элемент, следовательно, нагрузочная способность

равна числу коллекторов переключательного транзистора. Чис­

ло коллекторов {п) ограничено коэффициентом ~' который

уменьшается пропорционально 1/п, и ростом сопротивления

базы, что приводит к увеличению падения напряжения на нем с

увеличением п, а это вызывает неравномерное смещение эмит­

терного р-п-перехода. Типичные значения п = 2 .. .4, но для специальных структур эта величина может быть 10... 20.

Средняя мощность Рср• потребляемая элементом И2Л, равна

Рер = ИИэ I и• где ИИэ - прямое на11р.яжение на инжекторном

р-п-переходе. Величиuа Рср определяется токозадающим ре­

зистором Rи, который обычно размещают вне микросхемы. Из­

меняя Rи или Иип• можно в пределах трех-четырех порядков ре­ гулировать ток питания ЛЭ, мощность и быстродействие.

Минимальная средняя задержка, т. е. максимальное быстро­ действие, определяете.я временем рассасывания носителей в об­ ластях переключательного транзистора. Для рассматриваемой структуры наибольший заряд неосновных неравновесных носи­ телей (дырок) накапливается в высокоомном эмиттерном слое вследствие инжекции дырок из базовой области в режиме насы­ щения переключательного транзистора. Минимальная средняя

задержка определяете.я эффективным временем жизни дырок и

составляет 10... 20 нс. Низкое быстродействие таких ЛЭ .являет­ ся их главным недостатком. В связи с этим было предложено

большое число новых структур И2Л с повышенным быстродей­

ствием, например структура элемента с диодами Шоттки двух

типов и структуры, создаваемые путем многократных операций

совмещения. Такие структуры перспективны для использова­

ния в цифровых СБИС, поскольку обеспечивают минимальную задержку, не превышающую 1 нс, и энергию переключения

~ 0,03 ...0,05 пДж в режиме малых токов инжектора. Элементы

И2Л отличаются от других элементов на биполярных транзисто­

рах малой потребляемой мощностью и малой занимаемой пло­

щадью на кристалле при большой средней задержке и плохой помехоустойчивости.

чивается время переключения, т. е. быстродействие получается хуже, чем у отдельного инвертора. Быстродействие можно сохра­

нить на уровне инвертора, но при этом повышается уровень логи­

ческого нуля u0 и снижается помехоустойчивость.

Для реализации логической ощ~рации ИЛИ-НЕ применяет­ ся параллельное включение активных транзисторов. Если хотя

бы на один из входов подается напряжение И1 , то соответствую­

щий активный транзистор открыт и на выходе устанавливается

потенциал u0 • При Ивых = u0 на всех выходах все активные

транзисторы закрыты и на выходе устанавливается напряже­

ние И1 , равное напряжению питания.

Передаточная характеристика, напряжения u0 , И1 и помехо­

устойчивость будут такими же, как у инвертора при Ивх = u0 на

одном из входов и изменяющемся напряжении на другом. Если

на обоих входах напряжение изменяется одновременно, то u0

уменьшается и помехоустойчивость растет.

В отличие от элемента И-НЕ быстродействие ИЛИ-НЕ вы­

ше и мало зависит от числа его входов, поскольку емкости тран­

зисторов ЛЭ составляют лишь малую часть общей емкости Сн.

ЛЭ на комплементарных транзисторах И-НЕ (рис. 9.18, а) с по­

следовательным и параллельным включением соответственно

п-канальных и р-канальных транзисторов соответственно име­

ют характеристики и параметры, близкие к инвертору, пред­

ставленному на рис. 9.8, а, эффективная удельная крутизна

транзисторов которого кпэф = Кп/т, кр эф= тКР (индекс п отно­

сится к п-канальному, ар - кр-канальному МДП·транзисто­

ру). При тех же геометрических размерах транзисторов, что и в

инверторе, ток, задаваемый п-канальными транзисторами в от­

крытом состоянии, уменьшается в· т раз, а ток, задаваемый р-канальными транзисторами, увеличивается вт раз. С ростом

т отношение КпэФ/КрэФ уменьшается и помехоустойчивость

И~ падает. С изменением т средняя временная задержка изме­

няется сравнительно незначительно 110 сравнению с элементом

на п-канальных транзисторах. Для т ~ 5 средняя задержка рас­

тет пропорционально т.

Функция ИЛИ-НЕ реализуется с помощью параллельного

включения п-канальных и последовательного включения р-ка­

нальных транзисторов (рис. 9.18, б). В этом логическом элемен­

те параметры кпэф и кр эф в сравнении с инвертором равны кпэф = = тКп, КрэФ = Кр/т. С ростом т уменьшается помехоустойчи-

вость по логическому нулю ug , в противоположность предыду­

щему случаю, когда уменьшается помехоустойчивость И~ по

логической единице. Средняя временная задержка увеличива­

ется пропорционально т, т. е. сильнее по сравнению с элемен­

том И-НЕ. Последние с точки зрения быстродействия являют­ ся более предпочтительными, чем ЛЭ ИЛИ-НЕ.

Помимо рассмотренных ЛЭ на МДП-транзисторах использу­

ются также так называемые динамические схемы, в которых про­

исходит кратковременное запоминание информации с исполь­ зованием конденсаторов, сформированных емкостями самих

транзисторов с индивидуальными каналами.

В логических элементах сверхбыстродействующих ИС ис­ пользуются МЕП-транзисторы на основе GaAs.

9.7. Элементы полупроводниковых запоминающих устройств

Цифровые полупроводниковые ИС памяти используются в оперативных (ОЗУ) и постоянных (ПЗУ) запоминающих устройствах.

ПЗУ хранят информацию при отключении источника питания, тогда как в ОЗУ она теряется. Статические ОЗУ памяти могут хра­

нить информацию в течение длительного времени, а динамиче­

ские ОЗУ - ограниченное время. Статические ОЗУ обладают

максимальным быстродействием, а динамические ОЗУ обеспе­

чивают максимальную информационную емкость и минималь­

ную потребляемую мощность. Большая часть БИС памяти со­

здаются на МДП-транзисторах, а ИС памяти - на биполярных