Вводый курс цифровой электроники (К.Фрике, 2003)

130 Дополнение

изоляции базовых вентилей. Высокие значения токов при сравни­ тельно малых площадях рабочих областей планарных структур и сравнительно небольших напряжениях питания обуславливает уни­ полярный (электронный) механизм проводимости элементарных пе­ реключателей в открытом состоянии. В данном типе базовых ло­ гических вентилей носителями являются электроны, в отличие от КМОП-элементов, где ток обусловлен как электронами так и дыр­ ками, подвижность которых в несколько раз ниже чем у электронов.

Д.4.4. Особенности энергопотребления

Особенности энергопотребления логических схем с отношением, вы­ текающие из способа производства информации, рассмотрим на при­ мере вентиля типа DCFL. Данный тип базовых элементов является типичным представителем схем с непосредственными связями на приборах, управляемых током.

Общее выражение для скорости потребления энергии от источ­

Среднее значение статической компоненты мощности Рст опре­

где Г] —часть времени, в течении которого выход вентиля нахо­ дится в состоянии «О»; РсО — мощность в режиме открытого пе­ реключательного элемента; Pel — мощность в режиме закрытого переключательного элемента;

Когда переключательный элемент инвертора или, по крайней ме­ ре, один из переключательных элементов в схеме «ИЛИ-НЕ» DCFLтипа открыт, имеет место гальваническая связь между шиной пита­ ния и общей шиной, по которой протекает ток. Таким образом, для сохранения логического состояния необходимо потребление энергии от источника питания.

Когда все переключательные элементы в схеме «ИЛИ-НЕ» DCFLтипа закрыты, прямая гальваническая цепь между шиной питания и общей шиной отсутствует, но имеет место цепь, соединяющая шину питания с общей шиной через диод Шоттки нагрузки, подключен­ ный к выходу. По этой цепи протекает ток, формирующий уровень логической «1». Таким образом для сохранения данного логического состояния необходим ток и, следовательно, расходование энергии

д.4- Схемотехнические и энергетические характеристики

от источника питания. Величина тока определяется напряжением питания, сопротивлениями каналов нагрузочного и переключатель­ ного транзисторов и вольт-амперной характеристикой диода Шоттки. С точки зрения минимизации количества потребляемой энергии, напряжение питания должно быть возможно меньшим, а сопроти­ вление канала нагрузочного элемента возможно большим. Однако, при этом быстродействие вентиля, определяемое временем заряда паразитной нагрузочной емкости Сн, будет минимальным.

Поэтому упомянутые параметры выбираются на основе компро­ мисса между скоростью производства информации и энергопотре­ блением.

Мгновенное значение динамической компоненты Рц^(\) в выра­ жении (Д.4.1) определяется выражением:

где dE иг — мгновенные значения энергии и тока, протекаюп1;его от источника питания в переходном режиме при смене логического состояния на выходе вентиля. Мгновенное значение тока определя­ ются выражением:

На основании (Д.4.3) и (Д.4.4) ^\ля энергии, потребляемой от ис­ точника питания при заряде нагрузочной емкости, можно записать:

=Vdd-Cn'{Vi-Vo).

Вотличие от КМОП уровень логической «1» Vi ф Vdd-i ^ уровень логического «О» VQ Ф 0. Практически J\^^SL D C F L вентиля АС/ < 0,7 В. Динамическая компонента шцется с учетом сказанного вьппе и опреде­ ляется соотношением:

где ao-^i — фактор переключательной активности.

И, наконец, третья компонента мош;ности Рут определяется фор­

132 Дополнение

где /ут — ток обусловленный утечкой через закрытый переключа­ тельный транзистор.

Основной особенностью энергопотребления логических вентилей с отношением является постоянное потребление энергии, необходи­ мой как для производства информации, так и ^\ля ее сохранения в виде уровней напряжения логических «О» и «1». Для вентилей с от­ ношением, построенных на приборах, управляемых напряжением, процесс производства новой информации во время переходных про­ цессов при переключении и поддержке информации в стационарных режимах во многом отличаются. Формирование напряжения [/«i» на выходе вентиля в них происходит путем заряда нагрузочной емко­ сти Сн, подключенной к выходу, током, протекаюп1;им от источника тока через нагрузочный элемен, за время TQI, определяемое выраже­ нием:

где Лн — сопротивление нагрузочного элемента.

Для поддержания уровня i7«i» не требуется протекания тока и, следовательно, в данном стационарном состоянии ток не протека­ ет (за исключением тока утечки нагрузочной емкости) и источник питания не рассеивает энергии.

При уменьшении норм проектирования и, соответственно, раз­ меров рабочих областей логических вентилей, уменьшаются вели­ чины паразитных емкостей и уменьшается энергия единичного пе­ реключения {Р X г). Поэтому схема типа DCFL может оказаться более эффективной (например, при больших частотах), чем КМОПлогика.

Д.5. Схемотехника логических вентилей на токовых ключах

Принцип действия вентилей данного типа заключается в переключе­ нии тока генератора постоянного тока между двумя цепями, имею- п];ими общий узел, подключенный к генератору тока. В зависимости от состояния входа ток неизменной величины, поставляемый гене­ ратором тока, может протекать в обилую шину по одной из двух возможных цепей, формируя уровни логического нуля и логической единицы.

При этом уровень логического нуля С/«о» может формироваться двумя способами.

д.5. Схемотехника логических вентилей на токовых ключах

Первый способ заключается в том, что уровень t/«o» формиру­ ется на выходном электроде, подключенном к цепи, соединенной с общей шиной, когда ток в цепи отсутствует. Этот способ реализует­ ся в эмиттерно-связанной логике или в истоково-связанной логике, называемой также логикой на переключателях тока. Уровень ло­ гической единицы С/«1» в подобных вентилях формируется за счет падения напряжения на нагрузочном резисторе в цепи, соединенной с общей шиной, когда ток гененератора тока переключен в эту цепь. При этом в другой цепи ток отсутствует.

Второй способ формирования уровней С/«о» и C/«i», реализован­ ный в вентилях с инжекционным питанием, также заключается в переключении тока генератора постоянного тока из одной цепи в другую. Упомянутые цепи имеют два общих узла. Одним общим уз­ лом является общая шина («земля»), другим — узел подключения генератора неизменного тока, который является входом вентиля.

Д.5.1. Общий принцип схемотехнической организации и классификация

Организация логических схем на токовых ключах базируется на использовании генератора тока, величина которого неизменна д,ля всех режимов работы схем. Ток генератора тока, оставаясь неиз­ менным по величине, переключается, по крайней мере, одним пе­ реключателем в две разные цепи. По какой цепи протекает ток, определяется входным сигналом, управляющим переключателем.

Представление логической «1» при этом осуществляется за счет создания падения напряжения на линейных или нелинейных элемен­ тах схемы одной цепи. Уровень логического «О» определяется про­ теканием этого тока по другой цепи.

Этот принцип может быть реализован в двух типах схем, приве­ денных на рис. Д.5.1 и рис. Д.5.2. Схема первого типа представляет собой дифференциальный усилитель и содержит два переключателя П1 и П2, которые управляются двумя разными входными сигнала­ ми. При соответствующем входном сигнале, когда П1 находится в проводящем состоянии, ток генератора тока 1 протекает по цепи 1 и создает на резисторе падение напряжения и на выходе имеет место напряжение C/«i». При этом П2 разомкнут и ток в цепи 2 отсутствует и, следовательно, напряжение на выходе 2 равно напряжению общей шины. При противоположных входах П1 — закрыт, П2 — открыт, напряжения на выходах имеют противоположные значения.

Дополнение

Еп

/777

Р и с . Д . 5 . 1 . Эквивалентная схема токового ключа на основе дифференци­ ального усилителя.

В схемах второго типа ток генератора 7 переключается пере­ ключателем П1, управляемым входным сигналом Вх1. При откры­ вающем входном сигнале ток /, протекая по резистору, создает на выходе 1 напряжение С/«о». При разомкнутом П1 ток / втекает в цепь 2, а именно, во входную цепь переключателя П2, и открывает П2. Если входная цепь переключателя П2 представляет собой диод, то на вых1 будет формироваться напряжение C/«i» в соответствии с видом вольт-амперной характеристикой и величиной тока /.

ггп

Рис . Д.5.2. Эквивалентная схема токового ключа с инжекционным пита­ нием.

В соответствии со способами формирования логических уров­ ней, описанными выше, логические схемы на токовых ключах можно сгруппировать в два класса (см. рис. Д.5.3). Вентили первого класса строятся на основе схемы дифференциального усилителя, вентили второго класса известны под названием схем с инжекционным пи­ танием. Обобщенные структурные схемы этих классов приведены на рис. Д.5.4 и рис. Д.5.5.

136 Дополнение

Д.5.2. Интегральная инжекционная логика

В разделе 5.4 приведены электрическая схема и разрез физической структуры одного из возможных вариантов И^Л. В настоящее вре­ мя известно множество схемотехнических и структурно-топологи­ ческих видов вентилей данного класса, обладающих важными ^\ля СБИС энергетическими особенностями.

Вых

Вх

ИЗ

En ПЭ

Рис . д . 5 . 5 . Обобщенная структурная схема токового ключа с инжекционным питанием.

На рис. Д.5.6 приведена морфологическая таблица известных схем вентилей с инжекционным питанием.

В позиции 1.1 таблицы расположена электрическая схема класси­ ческого варианта И^Л инвертора. Эта электрическая схема может быть воплощена в интегральную структуру, отличающуюся высо­ кой плотностью компоновки (в 3-4 раза превышающую плотность компоновки КМОП вентиля), низкой энергией переключения и срав­ нительно простой технологией изготовления. Остановимся более по­ дробно на особенностях конструкции инжекционнои логики, чтобы вскрыть заложенное в физической структуре основное противоре­ чие, не позволяющее повысить энергию переключения и быстродей­ ствие, и уменьшение потребляемой мощности без ухудшения осталь­ ных параметров, главным из которых является технологичность.

Сравнительно низкое быстродействие классической инжекцион­ нои логики является ее принципиальным недостатком, неизбежно вытекающим из физической структуры. Дело в том, что исполь­ зование инверсного включения переключательного транзистора с вертикальной структурой обуславливает значительное накопление неосновных носителей заряда в эмиттернои области, в отличие от

138 Дополнение

Таким образом, основное техническое противоречие классиче­ ской инжекционнои структуры заложено в конструкции переключа­ тельного элемента — инверсно включенного биполярного транзи­ стора. С одной стороны, ^\ля увеличения быстродействия желатель­ но ограничить ток через эмиттерный переход и связанное с ним накопление неосновных носителей заряда, но при этом ухудшают­ ся нагрузочные свойства переключательного элемента, и в конеч­ ном счете нарушается его работоспособность, так как необходимым условием работы инжекционного ключа является условие насып];е- ния переключательного транзистора.

Устранение рассмотренного выше противоречия является необ­ ходимым условием решения задачи о повышении быстродействия, уменьшения энергии переключения инжекционнои логики без услож­ нения технологии изготовления, увеличения рассеиваемой мош;ности и уменьшения плотности упаковки.

Одним из возможных путей устранения основного противоре­ чия является отказ от биполярной транзисторной структуры пере­ ключательного элемента и использования в этой роли другого полу­ проводникового прибора, технологически совместимого с биполяр­ ным транзистором цепи питания.

Однако этот путь повышения быстродействия предполагает от­ каз от одного из наиболее значительных достижений инжекционнои логики-простоты технологии.

Вторым серьезным недостатком классического варианта инжек­ ционнои логики является многоколлекторная организация выхода логических элементов. Для исключения эффекта разброса входных характеристик нагрузочных транзисторов выход инжекционного логического элемента выполняется в виде нескольких коллекторов, количество которых определяется количеством входов нагрузки. При этом каждый коллектор соединяется металлизированным проводни­ ком только с одним входом. Такая организация связей между логи­ ческими элементами значительно усложняет металлизацию внутри­ схемных соединений и затрудняет выполнение интегральной схемы с однослойной металлизацией. В данном случае имеется противоре­ чие между плотностью упаковки и нагрузочной способностью логи­ ческого элемента. Повысить плотность компановки инжекционного логического вентиля можно за счет сокращения количества коллек­ торов, но при этом уменьшается нагрузочная способность логиче­ ского элемента. Данное противоречие обусловлено особенностями работы переключательного элемента, а именно свойствами входной характеристики биполярного транзистора.

д.5. Схемотехника логических вентилей на токовых ключах

Как известно, физическая структура инжекционной логики до­ статочно проста, но требует использования сравнительно высокоомной эпитаксиальной пленки. Это требование диктуется инверс­ ным включением биполярного транзистора. Поэтому дальнейшее упрощение структуры, в частности использование безэпитаксиальной монокристаллической подложки, не представляется возможным. В данном случае имеет место противоречие между технологично­ стью и усилительными свойствами переключательного элемента.

Подводя итог сказанному вьппе, можно констатировать, что основ­ ные противоречия, не позволяющие совершенствовать классическую инжекционную логику в части уменьшения энергии переключения, повышения плотности компоновки и степени интеграции, тесно свя­ занной с технологичностью структуры, содержатся в принципе дей­ ствия и конструкции переключательного элемента — инверсно вклю­ ченного биполярного транзистора.

Отсюда следует вывод: радикального улучшения параметров клас­ сического варианта инжекционной логики можно добиться только отказавшись от биполярной транзисторной структуры, использую­ щейся в качестве переключательного элемента.

В позициях 2.1 морфологической таблицы (рис. Д.5.6) размещена электрическая схема инжекционно-полевой логики (ИПЛ), в которой в качестве переключательного элемента использован транзистор с управляющим переходом (ПТУП).

Структура ИПЛ элемента представлена на рис. Д.5.7. Базовый элемент содержит нормально закрытый ПТУП, затвор которого является входом, а сток — выходом инвертора. В структуре, по­ казанной на рис. Д.5.7 генератор тока выполнен в виде биполярного транзистора.

вых

о

ч^ N +

N -

Рис. д.5.7. Структура ИПЛ-элемента.

Важной особенностью физической структуры элемента ИПЛ явля­ ется возможность формирования рабочих областей в монокристал­ лической подложке без эпитаксиального слоя. Такая конструктив-