Вводый курс цифровой электроники (К.Фрике, 2003)

20 Дополнение

класса базовых вентилей с отношением на классификационной диа­ грамме, приведенной на рис. Д.4.2.

В пределах первого класса можно выделить три вида логических схем, отличающихся переключательными элементами и конфигура­ цией схем.

Два из трех видов этих вентилей (виды 1.1 и 1.2) относятся к схемам с непосредственными связями и с источником питания од­ ной полярности. Структурная схема базовых элементов с непосред­ ственными связями приведена на рис. Д.4.3. Необходимым условием реализации таких связей в логических схемах является одинаковая полярность входного и выходного напряжений переключательного элемента.

нэ

-о

Вых.

пэ

Вх. X

Р и с . д . 4 . 3 . Структурные схемы базовых логических элементов с непосред­ ственными связями.

Различия в свойствах базовых элементов, построенных на раз­ личных полупроводниковых приборах нормально закрытого типа (БТ, ПТУП, МОП и др.), обуславливаются различиями в характере зависимостей их входных и выходных токов от соответствующих напряжений. Необходимым условием пригодности прибора для по­ строения инвертора в соответствии с рис. Д.4.3 является нормально закрытый вид его выходных ВАХ. В морфологической табл. Д.4.1 сведены некоторые разновидности базовых элементов транзистор­ ной логики с непосредственными связями. Одинаковая полярность и одинаковый порядок величин входных и выходных напряжений позволяют использовать для построения схем с непосредственными связями и одним источником питания ВТ и различные виды нор­ мально закрытых ПТ. Третий вид 1.3 относится к так называемым схемам с входной логикой, обобщенная структурная схема которых приведена на рис. Д.4.4. Так как входная цепь МОП-транзистора не

потребляет тока (управление напряжением), то использование тран­ зистора в схемах с непосредственными связями дает дополнитель­ ные схемотехнические преимущества по сравнению с другими при­ борами. В частности, поэтому схемы с непосредственными связями на МДП-транзисторах с индуцированным каналом нашли наиболее широкое применение в интегральных микросхемах.

~ Е

^ D D

нэ

Вых

Рис . Д.4.4. Обобщенная структурная схема базового логического элемента с входной логикой.

Д.4.2. Основные схемотехнические и структурно-топологические типы

Идеальной с точки зрения схемотехнической организации является цифровая схема, в которой переключательные элементы смежных каскадов соединены непосредственно, без дополнительных элемен­ тов. Такой подход к схемотехнической организации и технологиче­ ская совместимость нагрузочного и переключательного элементов обусловливает простоту конструкции базового логического вентиля и высокую плотность компановки.

Базовые элементы на биполярных транзисторах. Осно­ вой таких схем является инвертор, приведенный в табл. Д.4.1 (по­ зиция 1.1). Типичное соединение базовых инверторов показано на рис. Д.4.5. В большинстве цифровых интегральных микросхемах ис­ пользуют параллельное соединение БТ в отличие от схем на ПТУП, ПТШ и МОП-транзисторах, в которых осуществляют также по­ следовательное и последовательно-параллельное соединения. Парал­ лельное соединение переключательных БТ представляет собой схе­ му ИЛИ-НЕ.

Работа схем на БТ основана на том, что остаточное напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения БТ настолько мало, что его недостаточно для открывания нагрузочных транзи­ сторов, базы которых подсоединены к коллектору этого транзисто­ ра. Кроме того, в режиме отсечки коллекторный ток БТ практи­ чески равен нулю. Эти два свойства БТ делают возможной работу в ключевом режиме, когда насыщенный управляющий транзистор закрывает нагрузочные транзисторы и, наоборот, когда управля­ ющий транзистор в режиме отсечки открывает нагрузочные БТ. Большое различие в значениях коллекторных токов в открытом и закрытом состояниях оказывается достаточным для создания на на­ грузке необходимого перепада логических уровней. Напряжение UQ выбирают равным остаточному напряжению транзистора в режиме насыщения С/кэн? ^i напряжение Ui выбирают равным напряжению между базой и эмиттером БТ, соответствующему режиму насыще­ ния !7эбн- В схеме, приведенной на рис. Д.4.5, значения EOD И ЛН вы­ бирают из условий неискаженной передачи информации по логиче­ ской цепи из последовательно соединенных инверторов. Поскольку

ВТ является прибором, управляемым током, то выражения, опреде­ ляющие E]jB и i?H5 имеют вид:

EDD-{n'l6+ll)'Rn>Uu

EDD - IK ' RH < UQI

где /б? ^к — '^^^ базы и коллектора насыщенного транзистора; /^ — ток коллектора в режиме отсечки.

йEDD

В<1

RH

QK+ В+ ...+ м )

Вых

Вх2

Рис. Д.4.5. Логическая схема ИЛИ-НЕ с непосредственными связями на биполярных транзисторах.

Схема ИЛИ-НЕ, показанная на рис. Д.4.5, работает следующим образом. При наличии хотя бы на одном из т входов напряжения Ui соответствующий переключательный транзистор входит в ре­ жим насыщения и напряжение на выходе схемы уменьшается до Uo = UK3H- ЕСЛИ на всех входах устанавливается напряжение C/Q? то ток источника питания через нагрузочный резистор поступает на базы нагрузочных транзисторов, открывая их. Неравномерное распределение тока между базами транзисторов, подключенных к одному выходу инвертора, и создает главную трудность реализа­ ции данного класса схем. Входные характеристики транзисторов имеют разброс, обусловленный разбросом технологических параме­ тров, различиями в режимах работы и неодинаковость температур транзисторов.

Дополнение

С ростом температуры входная характеристика сдвигается вле­ во со скоростью (1-2) т В / °С. Разброс технологических параметров (удельного поверхностного сопротивления, толщины базы, сопроти­ вления контакта к базе и т.д.) обусловливает сдвиг характеристик.

Базовые элементы на МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости каналов. Если используется в качестве нагрузочного и переключательного элементов одинаковые МОПтранзисторы с индуцированным каналом, то возможны две схемо­ технические конфигурации инвертора (см. рис. Д.4.6 а), б)). Недо­ статками первого варианта инвертора являются: малый логический перепад и сравнительно большая площадь. Первый недостаток за­ ключается в том, что логический перепад зависит от порогового напряжения и определяется выражением:

A [ / - ^ d r f - F t - ^ « o » .

Р и с . д . 4 . 6 . Инверторы на транзисторах с каналами одинакового типа про­ водимости: а) - с индуцированными каналами; б) - с дополни­ тельным источником смещения; в) - с обедненной нагрузкой;

Объясняется это тем, что нагрузочный транзистор работает в режиме истокового повторителя и закрывается при заряде нагру­ зочной емкости, когда напряжение между его истоком и затвором уменьшается до пороговой величины Vt. При этом напряжение на входе достигает величины [/»i» = EDD — Vt- Этот недостаток устра­ няется при подключении затвора нагрузочного транзистора к до­ полнительному источнику напряжения Ед. Если Ед > E^D + И? то АС/ = EDJ). Однако введение дополнительного источника питания с дополнительной шиной уменьшает плотность компановки и пред­ ставляет известные неудобства. Второй недостаток вытекает из не­ обходимости превышения сопротивления канала нагрузочного транзи­ стора сопротивления канала переключательного трпнзистора. Если

126 Дополнение

НИИ при Uju = Ui, иси =^ С/о и закрытом при Usu = UQ^ UCU = Ui состояниях ПТ; Ic', Ic — токи, протекающие между стоком и исто­ ком в открытом состоянии при Usu = Uo^ Ucu = Ui состояниях ПТ. в наихудшем случае

AU = RnilL, - С^ - п/В * II).

где В — коэффициент усиления ПТ по току.

Из этого выражения следует, что для получения AU > О необ­ ходимо, чтобы коэффициент разветвления по входу п был меньше

коэффициента усиления по току В.

•

I |иг4^ "1vdd

б)

Р и с . д . 4 . 7 . Инвертор на транзисторах с каналами одинакового типа про­ водимости (рис. Д.4.6 в): а) топология; б) разрез физической структуры.

Токи, протекающие через ПТУП и ПТШ, зависят от напряже­ ний f/o и C/i. При выборе значения Ui необходимо учитывать за­ висимость коэффициента усиления по току от тока затвора, т.к. она имеет экспонециальныи вид и значение В резко изменяется при изменении Usu- Особенностью передаточной характеристики базо­ вого элемента схем с непосредственными связями на ПТУП и ПТШ является зависимость U^^^j^ от числа элементов нагрузки. Поскольку

д.4' Схемотехнические и энергетические характеристики

ПТУП и ПТШ являются приборами, потребляющими ток по вход­ ной цепи, то с увеличением числа затворов ПЭ нагрузки, подключае­ мых к выходу закрытого инвертора, его входное напряжение умень­ шается. Если в отсутствие нагрузки (п — 0) С/^ыж — ^п? то при п ф О f/ebia: ^ ^п- Напряжение C/Q зависит от остаточного напряже­ ния между стоком и истоком открытого ПТ: C/Q — Rnlc^ где йк — сопротивление канала ПТУП и ПТШ.

Остановимся подробнее на факторах, определяющих быстродей­ ствие базовых элементов рассмотренного типа. Так же как и БТ, в нормально-закрытых ПТУП, работающих при прямых смещениях на р-п-переходе затвор-исток, происходит накопление избыточного заряда неосновных носителей в затворной, истоковои и канальной областях. Поэтому быстродействие схем с непосредственными свя­ зями на ПТУП также зависит от времени рассасывания неосновных носителей, которое и определяет в основном и время формирова­ ния положительного фронта выходного импульса при переключе­ нии инвертора при закрывающимся ПЭ. Кроме того, параметром, характеризующим длительность переходных процессов в схемах с непосредственными связями на ПТУП, является зарядка паразит­ ной выходной емкости инвертора при формировании отрицатель­ ного фронта выходного импульса. Разрядка выходной емкости про­ исходит через сопротивление канала открытого ПТУП и зависит в первом приближении от постоянной времени, равной КкСц. Следу­ ет отметить, что составляющая времени задержки переключения, обусловленная накоплением избыточного заряда неосновных носи­ телей, больше других составляющих при значениях рабочих токов, соответствующих высокому уровню инжекции р-п-перехода затвористок ПТУП. Однако с уменьшением уровня токов влияние эффек­ тов накопления на время задержки переключения уменьшается. При малых уровнях токов, соответствующих низкому уровню инжек­ ции р-п-перехода затвор-исток ПТУП, их влияние незначительно по сравнению с влиянием времени зарядки-разрядки паразитных емко­ стей. В инверторах, использующих ПТШ в качестве ПЭ, эффекты, связанные с накоплением неосновных носителей, отсутствуют, по­ скольку ПТШ является униполярным прибором. Время задержки переключения инверторов такого типа зависит от времени пролета носителей заряда через канал и времени зарядки и разрядки пара­ зитных емкостей инвертора.

Базовые логические элементы ИЛИ-НЕ и И-ПЕ на ПТУП и ПТШ строятся путем их последовательного и параллельного соединения

128 Дополнение

аналогично тому, как строятся схемы на МДП-транзисторах одного типа электропроводности. На рис. Д.4.8 приведена схема комплекс­ ного логического вентиля т И—п ИЛИ-НЕ. Для того чтобы при по­ следовательном соединении т ПТ в схеме И напряжение С/о не пре­ высило допустимого уровня, необходимо ширину канала ПЭ увели­ чить в т раз. Схема работает следуюп];им образом. Когда на входы одной из п последовательных цепей НЭ подается напряжение C/i, транзисторы этой цепи открыты и между шиной питания и обш;ей шиной протекает ток, создаюш;ий падение напряжения на сопроти­ влении канала НЭ: C/ibix ^ ^о- При этом все НЭ нагрузочных схем оказываются закрытыми (нагрузочные схемы на рис. Д.4.8 не по­ казаны). Если хотя бы на одном из входов последовательно соеди­ ненных НЭ имеет место напряжение UQ^ ТО соответствующий НТ оказывается закрытым. Напряжение на выходе логического венти­ ля равно ED при отсутствии нагрузки на выходе.

Напряжение на выходе схемы при наличии на входе нагрузки, например, в виде р затворов аналогичных НЭ:

Uebu: = EDD - {pll + п/,^)Дк,

где /з — ток затвора в открытом состоянии НТ, /^ — ток стока в закрытом состоянии, R^ — сопротивление канала открытого НТ.

Одной из особенностей схемотехники ИМС является то, что тех­ нологическая совместимость является важнейшим критерием выбо­ ра элементов для реализации той или иной схемы инвертора из при­ веденных в табл. Д.4.1. Нод технологической совместимостью по­ нимают возможность изготовления различных схемных элементов в едином технологическом процессе. Предпочтение отдается схе­ мам, содержаш;им однотипные элементы. Примерами таких схем мо­ гут служить инверторы на полевых транзисторах (позиции 2.4, 3.3, 4.5). Наилучшей технологичностью и универсальностью обладают инверторы, в которых нагрузочным и переключательным элемента­ ми являются п-МОН-транзисторы с индуцированным и встроенным каналами.

Д.4.3. Особенности обработки информации и энергопотребления

Рассмотренные в предыдуш;ем разделе схемотехнические и струк­ турно-топологические типы базовых логических вентилей с отноше­ нием отличаются простотой конструкции и малооперационностью технологии изготовления. Простейшие конструкции обеспечивают

д.4- Схемотехнические и энергетические характеристики 129

высокую плотность компоновки при реализации цифровых устройств. В этом заключается их бесспорное преимущество по сравнению со схемами без отношения.

> t-DD

гН

^Выход

Рис . д . 4 . 8 . Логика с непосредственными связями на полевых транзисторах Шоттки. (DCFL)

Другим важным достоинством является высокое быстродейст­ вие и, соответственно, высокая скорость производства информации. Это достоинство так же является следствием простоты конструк­ ции, которое обеспечивает минимальные значения паразитных ем­ костей транзисторных структур и соединений, и высокие значения коммутируемых ими токов. Сочетание малых значений емкостей и больших токов, заряжающих и разряжающих эти емкости в процес­ се производства информации, позволяет достичь рекордно малых значений задержек переключения. Малые значения паразитных ем­ костей достигаются за счет использования полной диэлектрической