Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ. Методическое пособие по выполнению курсового проекта «Проектирование конструктивных модул

5.3.2.6. Учитывая (63) и (67), время задержки распространения при включении:

t1,0зд.р = 3,9 нс.

5.3.2.7. Учитывая (63) и (68), время задержки распространения при включе-

tзд.р.ср = 3,65 нс.

5.3.2.9. Время перехода из состояния "I" в состояние "0":

32

прямым и инверсным соответственно на нагрузочных резисторах (рис.5), то в отрицательной логике такое монтажное объединение позволяет получить на

Указанные функции наблюдаются на выходах Y1 и Y2, если применяется эмиттерное объединение ( ЭО ) на выходе ЭСЛ элементов.

Методика расчета элемента ЭСЛ с ЭО выходами аналогична приведенной методике расчета основного элемента ЭСЛ. Микросхемы ЭСЛ обладают по сравнению с другими типами цифровых ключей наибольшим быстродействием и большой потребляемой мощностью. Высокое быстродействие для ЭСЛ - интегральных микросхем обусловливается тем, что в этих ключах транзисторы работают в ненасыщенном режиме. Отечественной промышленностью выпус-

33

каются серии 100, К500 и К1500 ЭСЛ - микросхем, которые широко применяются в ЭВМ и другой аппаратуре.

Pис. 6. Соединение выходов элементов ЭСЛ

Электрические параметры некоторых серий интегральных микросхем типа ЭСЛ отечественного производства приведены в табл. П 2.2 (прил. 2).

5.4. Базовый логический элемент типа КМДП

Серии ЛЭ на комплиментарных полевых (КМДП или иначе КМОП) транзисторах (элементах с дополнительной симметрией; на дополняющих транзисторах; на транзисторах с разными типами проводимости; на комплиментарной структуре) относятся к потенциальным элементам и в настоящее время являются наиболее перспективными.

Основными логическими элементами этих серий являются элементы И - НЕ; ИЛИ - НЕ, а базовым логическим элементом, на основе которого реализованы элементы И-НЕ; ИЛИ-НЕ, - инвертор (элемент НЕ) па КМДПтранзисторах.

Рассмотрим принципиальную электрическую схему (рис.7) базового КМДП (КМОП) - инвертора. В ней собственно инвертор выполнен на транзисторах VT1, VT2. Элементы VD1…VD3, R1 образуют схему защиты изоляции затво-

ров транзисторов от пробоя при 0 Uвх Uип и статического электричества.

34

Рис.7. Схема логического элемента на КМДП-транзисторах (базовый КМОП - инвертор)

Исходные данные:

напряжение источника питания Uип = 5 В;

коэффициент объединения по входу; для схем И - НЕ Коб = 2 ... 4;

для схем ИЛИ - НЕ Коб = 2...10;

коэффициент разветвления Краз = 20;

ёмкость нагрузки Cн = 10 пФ;

общая паразитная емкость на выходе Cп = 13 пФ;

частота повторения входных сигналов fп = 5 МГц;

напряжение логического "0" U0 = 0 В;

напряжение логической "1" U1 = 5 В;

напряжение порога переключения транзистора n - типа Uпор.n =2 В;

напряжение порога переключения транзистора p - типа Uпор.p = - 1,5 В;

удельная ( относительная ) крутизна транзисторов p - и n - типов соответственно:

Кn = 0,3 мА/В2; Кр = 0,2 мА/В2;

температура окружающей среды Т = 20о C. Принимаем:

R1 = 100 кOм; Cз-и n = 0,5 пФ; Cз-с n = 0,5 пФ;

Cз-и р = 0,5 пФ; Cми = 1,5 пФ; Cн = 10 пФ; Cп = 13 пФ.

35

5.4.1.Расчёт статических параметров

5.4.1.1.Пo выражению

5.4.1.12. Выходное сопротивление элемента для состояний "0" и "1" соглас-

5.4.2.Расчёт динамических параметров

5.4.2.1.Общая паразитная ёмкость на выходе схемы

где fпер = 1 / Tпер - рабочая частота переключения.

При частоте переключения fпер = 5 МГц мощность потребления элемента в динамическом режиме составит

Pдин = 5 106 13 10-12 52 = 1,6 мВт.

5.4.3. Логические элементы КМДП И - НЕ, ИЛИ - НЕ

В ЦИС на КМДП-транзисторах логическая операция И-НЕ реализуется последовательным включением входных транзисторов, а операция ИЛИ-НЕ - их параллельным включением. При этом на каждый вход требуется два транзистора, образующих ключевой элемент (инвертор). В схеме И-НЕ нагрузочные

39

Модель ЦИС на КМДП-транзнсторах (И-НЕ; ИЛИ-НЕ) представляет собой структуру из двух параллельно соединенных МДП-ключей: первый из них со-

бран на транзисторе VTp (Kэкв.р) и сопротивлении Rn, а второй - на транзисторе

VTn (Kэкв.n) и сопротивлении Rр.

Особенность ЦИС на КМДП-транзисторах в том, что в установившемся режиме одна из групп транзисторов закрыта и практически не потребляет тока. При этом ничтожно малым оказывается и ток открытых транзисторов, так как стоковые цепи этих транзисторов разомкнуты закрытыми транзисторами. Поэтому мощность потребления ЦИС получается минимальной и практически определяется токами утечки транзисторов.

Суммарная мощность потребления в основном определяется энергией, расходуемой на перезаряд паразитных емкостей. При переключении логических элементов И-НЕ; ИЛИ-НЕ транзисторы могут оказаться во всех трех областях ВАХ: отсечки, крутой и пологой.

Аналитические соотношения, связывающие токи и напряжения для транзисторов с n- и р-проводимостью в элементах И-НЕ; ИЛИ-НЕ, при переключении аналогичны соответствующим соотношениям, приведенным для инвертора с

учетом замены Kn = Kэкв.n; Kр = Kэкв.р .

Расчет динамических параметров также выполняется по методике для расчета инвертора с учетом увеличения паразитной емкости на выходе элемента

(Cп) за счет параллельного соединения емкостей:

Примечание. Микросхемы на КМДП - транзисторах потребляют небольшую мощность при сравнительно высоком быстродействии. В cтатическом режиме потребление на один инвертор не превышает 0,01...0,1 мкВт, в динамическом - не более 100 мкВт на частоте 1 МГц. Это приводит к уменьшению температуры кристалла и повышению надежности его работы. Кроме этого, микросхемы на КМДП - транзисторах имеют высокую помехозащищенность (30...45% значения питающего напряжения), высокую нагрузочную способность ( до 1000 входов таких же интегральных микросхем ) на частотах до нескольких килогерц, высокое входное сопротивление (до 10 МОм).

Отечественной промышленностью выпускается широкая номенклатура интегральных микросхем на КМДП-транзисторах ( серии 164, К176, К561,564, К188, К537, К572, К587 и

др.).

40

Электрические параметры некоторых наиболее популярных серий интегральных микросхем типа КМДП отечественного производства приведены в табл. П 2.3 (прил. 2).

5.5. Элемент интегральной инжекционной логики ( И2Л )

Логические микросхемы с инжекционным питанием, относящиеся к классу насыщенных логических схем, представляют собой микросхемы на биполярных транзисторах, в которых электрическая энергия, необходимая для преобразования сигналов, вводится инжекцией неосновных неравновесных носителей заряда. Логические элементы И2Л обладают важными отличительными особенностями, обеспечивающими широкое применение их в БИС и СБИС:

1)Отсутствие резисторов, занимающих на кристалле большую площадь.

2)Вместо традиционной цепи питания транзисторов применен принцип прямой инжекции носителей заряда в некоторую пространственную область кристалла, питающую окружающие эту область транзисторные структуры.

3)Пространственное совмещение областей, принадлежащих в функциональном отношении различным транзисторам. Одни и те же области играют роль коллектора транзистора типа p-n-p и базы транзистора n-p-n; базы транзистора p-n-p и эмиттера транзистора n-p-n - типа.

4)малое число схемных элементов и межсоединений.

Рис.9. Схема логического элемента интегральной инжекционной логики ( И2Л - инвертора)