2.19.5 Элементы инжекционной логики (и2л)

Как упоминалось в подразделе 2.15.3, одним из интересных вариантов схемной организации являются логические элементы И2Л на основе МКТ. В элементах И2Л уменьшается число транзисторов, внутрисхемных соединений и площадь полупроводникового кристалла, повышается степень интеграции конструкций [9]. Множественность коллекторов МКТ позволяет объединять в одном узле соединения, например на базе нагрузочного транзистора, выводы отдельных коллекторов разных МКТ.

Если принять выключенное состояние по присоединенному в узел коллектору управляющего МКТ за состояние логического уровня «1», то логическая функция И на любое число входов реализуется простым объединением в одном узле соединения, например на базе нагрузочного транзистора выводов отдельных коллекторов разных МКТ. На рисунке 2.81 изображен трехколлекторный МКТ, на базу которого монтажным соединением подключены три сигнальные линии Х1, Х2, Х3. Показанное на рисунке обозначение используется для функциональных и функционально-топологических представлений схем на элементах И2Л. Если хотя бы на одном из входов в узле соединения будет низкий уровень напряжения, т.е. уровень логического «0», а на все остальные подается сигнал логический «1» (т.е. отсутствует входной ток), то низкое напряжение будет и на узле. Разделение узла соединения коллекторов (или иных управляющих переключателей), как выхода логического элемента, от нагрузок на этот выход обеспечивается нагрузочным МКТ. Монтажное соединение коллекторов управляющих МКТ на базе Б (см. рис. 2.81) нагрузочного МКТ позволяет реализовать функцию 3И-НЕ на его разветвленном многоколлекторном выходе. Важно, чтобы каждый коллектор схем соединения МКТ подключался только к одной нагрузке (базе). Таким образом, n-коллекторный транзистор с m-выводами от базы представляет собой логический элемент И-НЕ с коэффициентом объединения по входу, равным m, и с нагрузочной способностью, равной n.

Если входные сигналы поступают от внешних схем, функцию И осуществить сложнее, так как необходима электрическая развязка входов. На рисунке 2.82 изображена схема для двух переменных реализованная на четырех одноколлекторных инжекционных транзисторах, применяемых только для развязки. Операция 2И осуществляется простым объединением коллекторов транзисторов VT3, VT4. Длят переменных требуется 2m транзисторов.

Логическое состояние инвертора однозначно характеризуется его выходным током (большой ток — включенное состояние или логический «0», отсутствие тока — выключенное состояние или логическая «1»). Напряжение логического «0» определяетсясамим инвертором (управляющим транзистором в режиме насыщения), а напряжение логической «1» — его нагрузкой (напряжением на эмитгерном переходе, смещенном в прямом направлении). При монтажном соединении коллекторов нескольких транзисторов напряжение логического «0» в узле не позволяет однозначно определить состояние конкретного управляющего транзистора, так как включенным может быть любой из параллельно подключенных транзисторов.

Для представления состояний цифрового устройства, содержащего несколько МКТ, удобно пользоваться таблицами состояний, примером которой является таблица. 2.7. Таблица соответствует устройству, показанному на рисунке 2.84.

Таблица 2.7

В таблице указаны логические уровни на базе каждого транзистора (Б1, Б2) и на выходах устройства Y₃ и Y₄. Высокий логический уровень на базе обеспечивается самим транзистором за счет инжекционного питания при разомкнутых входах устройства (для баз Б1 и Б2) или при выключении всех транзисторов, подсоединенных к базе рассматриваемого транзистора. Низкий логический уровень на базе данного транзистора поддерживается предыдущими транзисторами, которые по отношению к рассматриваемому являются управляющими. Поэтому для облегчения анализа работы устройства в тех графах табл. 2.7, где стоит логический «0», в знаменателе указан номер управляющего транзистора, поддерживающего низкий уровень напряжения на базе нагрузочного транзистора. Так, запись в строке Б4 0/1,2 означает, что низкий уровень на базе Б4 в этом состоянии обеспечивается одновременно транзисторами VT1 и VT2. Знак X (неопределенное состояние) показывает, что выходной уровень определяется нагрузками, присоединенными к выходам Y3 или Y4.

Как отмечалось ранее при обсуждении конструкций МКТ, уровни напряжений логических состояний элементов И2Л определяются напряжением спрямления эмиттерно-базового перехода транзистора и напряжением между коллектором и эмиттером МКТ в состоянии насыщения.

Уровень напряжения U¹ для кремниевых структур равен (0,6–0,7) В. Уровень напряжения U⁰ не превышает (0,1–0,2) В. Учитывая, что выходы элементов И2Л фактически являются открытым коллекторным выходом транзистора, они могут подключаться для управления входами элементов ДТЛ и ТТЛ без дополнительных элементов согласования уровней (при условии соответствия выходных токов И2Л входным токам ДТЛ или ТТЛ).

Работа переключения элементов И2Л в основном определяется затратами энергии на перезаряд емкости эмиттерного перехода МКТ и может быть оценена по формуле

А≈ Uи×∆U×Cэ/(2× αin), (2.143)

где Uи, ∆U — прямое напряжение на инжекторном переходе и перепад логических уровней напряжения элемента соответственно;

Сэ — емкость эмиттерного перехода.

По формуле (2.143) весьма прозрачно определены возможные направления снижения работы переключения через снижение уровней напряжений и площади эмиттера. Количественные значения работы переключения элементов И2Л не имеют равных среди иных схемных организаций, достигая (0,1–0,5) пДж при времени переключения (5–20) нС. Дальнейшее улучшение параметров элементов И2Л достигается при использовании в их конструкциях диодов Шоттки.