Элементы на униполярных транзисторах.

Развитие схемотехники на униполярных транзисторах началось в 1962 году, когда был создан полевой транзистор с изолированным затвором типа МОП – транзистора

Это дало следующие преимущества:

• компактность активного элемента – транзистора обусловила возрастание функциональной сложности ИМС и переход к большим интегральным схемам (МОП – транзистор занимает площадь в несколько раз меньшую, чем биполярный).

• упростилась технология изготовления ИМС, примерно в 2 раза сократилось число технологических операций по сравнению с производством биполярных транзисторов.

• уменьшилась потребляемая мощность.

Инвертор на Р-МОП транзисторе имеет вид:

В элементах типа Р-МОП используется обратное обозначение логических уровней:

При x= 1 транзистор Т₀открыт. Между затвором и истоком транзистора Т_ндействует напряжение (E_п-U₀) превышающее пороговое, поэтому Т_нтоже открыт. Следовательно выходное напряжение снимается с делителя, образованного сопротивлениями каналов проводящих транзисторов Т₀и Т_ни равно:U_вых=U₀= -R_ко/ (R_ко+R_кн)*Е_п, гдеR_коиR_кн– сопротивления каналов соответствующих транзисторов.U₀должно составлять малую долю напряжения Е_п, поэтому необходимо выполнения условия:R_ко<<R_кн. Выполнение этого условия достигается технологически: изготавливаются транзисторы с разными размерами каналов (уT_нувеличивают длину канала, а у Т₀его ширину). Однако это ведёт к увеличению площади кристалла. Так как приx= 1 оба транзистора открыты, то возможны «броски» тока и увеличивается рассеиваемая элементом мощность из-за чего каналы делают высокоомными, но это ведёт к снижению быстродействия, поскольку нагрузочные ёмкости перезаряжаются медленно через высокоомные каналы.

Вариант с квазилинейной нагрузкой отличается применением второго источника питания Е_п2, причём модуль Е_п2превышает модуль напряжения Е_п1не менее чем на пороговое напряжение. В этом случае свойства нагрузочного транзистора приближаются к свойствам линейного сопротивления, что в некоторой мере улучшает характеристики элемента.

Если в инверторе заменить основной транзистор Т₀группой параллельно, последовательно или смешанно включенных транзисторов, управляемых входными переменными, то можно получить различные логические элементы:

Серийный элемент такого типа серии К172 выполняющий операцию ИЛИ-НЕ имеет следующие характеристики: Е_п = -27в, потребляемый ток 1,25 мА U₁= - 7,5в U₀ = - 2в, при С_н = 20 пф время распространения сигнала не более 600нс, допустимая величина напряжения помех не более 1в, коэффициент разветвления не более 15.

После элементов на Р-МОП транзисторах были разработаны элементы на транзисторах с n-каналами. Изготовление транзисторов сn-каналами сложнее, но их параметры превосходят параметры транзисторов с р–каналами:

• носители заряда не дырки, а электроны, подвижность которых в 2-3 раза выше подвижности дырок;

• транзисторы с n-каналами выполняют по технологии с совмещением затворов, обеспечивающей уменьшение паразитных ёмкостей в 2-3 раза.

Оба этих фактора в итоге обеспечивают быстродействие в 5~8 раз выше. В

Р-МОП схемах транзистор Т_н выполнялся с индуцированным каналом и играл роль линейного сопротивления. В n-Моп схемах транзистор Т_н выполняется со встроенным каналом (работающим в режиме обеднения) и может быть приблизительно представлен источником тока, его затвор соединён с истоком:

При x= 1 включены оба транзистора инвертора и уровень логического нуля на выходе схемы определяется отношением сопротивлений каналов транзисторов Т₀ и Т_н, однако специфика параметров транзисторов такова, что требования к отношению площадей каналов здесь намного ниже, чем для инверторов типа Р-МОП и достаточно иметь отношение сопротивлений около 4, тогда как для Р-МОП более 25. Пороговые напряженияn-канальных транзисторов невелики и составляют (1,5~2) в, следовательно можно снизить напряжениеE_пдо 5в (и оно теперь ведь положительно), что обеспечивает совместимость с ТТЛ-логикой.

Логические элементы в данной схемотехнике образуются путем замены в схеме инвертора основного транзистора Т₀ группой транзисторов, соединённых параллельно, последовательно или смешанно, аналогично Р-МОП схемотехнике. Логические схемы на транзисторах с n-каналами широко применяются в современных СБИС и БИС.

Задержки распространения сигналов в МОП – структурах обуславливаются практически полностью процессами перезарядки ёмкостей в узлах схемы. Причём наибольшую длительность имеют процессы заряда ёмкостей, так как ток заряда поставляется нагрузочным транзистором, сопротивление канала которого превышает сопротивление канала входного транзистора. n-МОП структуры весьма компактны, плотность компоновки 100~200 лэ/мм². Задержки распространения составляют 5~25 нс, а энергия переключения 5~50 пДж.

Основой создания первых БИС стали динамические элементына транзисторах с р-каналами. Для схем на МОП-транзисторах разработка и применение динамических (импульсных) элементов получили широкое развитие, поскольку именно в этих схемах проще всего осуществить временное запоминание сигналов на ёмкостях. Конденсаторы, на которых запоминаются сигналы в динамических элементах на МОП-транзисторах, не нужно специально изготовлять, так как для этой цели используются паразитные ёмкости, неизбежно возникающие при создании МОП-структур. Паразитные ёмкости невелики, однако и токи, вызывающие перезаряд ёмкостей через запертые МОП-транзисторы, также малы. В результате время хранения информации лежит обычно в миллисекундном диапазоне и, следовательно, минимальная частота синхронизирующих импульсов лежит в килогерцовом диапазоне. Сверху эта частота ограничена временами перезаряда запоминающих ёмкостей через проводящие транзисторы и может достигать десятков мегагерц.

Рассмотрим пример динамического элемента четырёхфазной логики. Динамический инвертор с двухфазным управлением и перекрытием фаз работает следующим образом. На временном интервале 1 возбуждаются фазы Ф₁и Ф₂, включая транзисторы Т₁и Т₂.

Транзистор Т_вхна этом интервале заперт независимо от значения входного сигналаx, поскольку на его исток подаётся отрицательное напряжение фазы Ф₁. Ёмкости С₂и С₃заряжаются через включенные транзисторы до напряжения Е_п. Ёмкость С₂запоминающая, а С₃– в данном случае паразитная, не нужная для работы инвертора, но наличие которой вынуждает с ней считаться. На интервале 2 прекращается возбуждение фазы Ф₁. При этом запирается транзистор Т₁

и снимается отрицательное напряжение с истока транзистора Т_вх. Теперь процессы в схеме уже зависят от значения входной переменной. Еслиx= 1 (ёмкость С₁заряжена), то транзистор Т_вхпроводит и ёмкости С₂и С₃разрядятся через проводящие транзисторы Т₂и Т_вхдо нуля (на данном интервале напряжение на истоке транзистора Т_вхравно нулю). Еслиx= 0 (ёмкость С₁разряжена), то транзистор Т_вхзаперт, и ёмкости С₂ и С₃сохраняют заряженное состояние – пути для тока разряда не образуется.

Как видно, благодаря чередованию процессов безусловного (интервал 1) заряда и обусловленного (интервал 2) разряда ёмкости С₂элемент выполняет операцию инверсии. Инвертирование входного сигнала (состояния ёмкости С₁) сопровождается временной задержкой: выходной сигнал формируется в интервале 2, тогда как входной должен быть сформирован на предыдущем интервале. Динамический инвертор хотя и более сложен (три транзистора вместо двух) и нуждается в импульсном фазовом питании, однако обладает важными преимуществами. Для его нормальной работы не требуется определённого соотношения между сопротивлениями каналов транзисторов (это схема «без отношения»). Действительно, уровни сигналов единицы и нуля не зависят от отношения сопротивлений каналов – при достаточной длительности интервалов действия фаз ёмкость С₂заряжается практически до уровня напряжения питания фазы Ф₁, а разряжается до нуля. Поэтому все транзисторы могут изготовляться одинаковыми с минимальными размерами , что экономит площадь кристалла. В схеме отсутствуют статические токи, так как в последовательной цепочке транзисторов Т₁, Т₂, Т_вхвсегда имеется хотя бы один запертый. Следовательно, нет необходимости ограничивать снизу сопротивления каналов и можно применять транзисторы с низкоомными каналами. Это повышает частоту переключения элементов, ускоряя перезаряд ёмкостей через проводящие транзисторы. И наконец, отсутствие статических токов и потребление токов только для необходимых процессов перезаряда ёмкостей сводит к минимуму потребляемую схемой мощность.

Динамические логические элементы строят,, заменяя входной транзистор Т_вхгруппой транзисторов, включенных последовательно параллельно, смешанно (как в обычной МОП-логике).

Максимальная частота переключения современных динамических элементов достигает 40Мгц.

Перспективными оказались логические элементы на МОП-транзисторах разных типов проводимости которые получили название комплементарных(КМОП). Инвертор в схемотехнике КМОП построен на двух транзисторах, управляемых одной и той же переменной. Тип проводимости транзисторов противоположный, поэтому один и тот же сигнал по-разному воздействует на транзисторы Т₁и Т₂.

Если x= 1, то Т₁включен, а Т₂заперт (напряжение между затвором и истоком Т₂близко к нулю). Выходное напряжение отличается от нуля только падением напряжения на проводящем канале от остаточного тока запертого транзистора, что составляет микровольты и не имеет практического значения. Вполне можно принять, что логический нуль отображается здесь нулевым уровнем напряжения.

Если x= 0, то проводящим окажется транзистор Т₂, для которого между затвором и истоком действует напряжение, близкое к Е_п. Транзистор Т₁будет заперт, а выходное напряжение окажется близкое к Е_п, отличаясь от него лишь пренебрежимо малыми напряжениями – микровольты (по тем же причинам, что и для нулевого выходного сигнала). Очевидно, что инвертор типа КМОП можно замещать эквивалентной схемой, составленной из идеальных ключей, работающих в противофазе.

Инвертор типа КМОП отличается тем, что:

• не потребляет статического тока (в любом статическом состоянии один из транзисторов заперт);

• может быть выполнен на транзисторах с низкоомными каналами, т.е. в быстродействующем варианте из-за отсутствия статического тока;

• может быть построен на транзисторах с минимальными размерами, поскольку к соотношению сопротивлений их каналов не предъявляется никаких требований;

• имеют высокую помехоустойчивость (до 45% от питающего напряжения);

• сохраняет работоспособность при изменениях питающего напряжения Е_пв широких пределах (до 5 раз).

Логическая схема ИЛИ-НЕ типа КМОП имеет вид:

Если среди входных переменных имеется хотя бы одна единица, то в верхней группе последовательно соединённых транзисторов найдётся хотя бы один запертый, а в нижней группе параллельно соединённых хотя бы один проводящий. Выходное напряжение в таком случае будет нулевым. Если среди входных переменных нет ни одной единицы, то все транзисторы верхней группы проводят, а транзисторы нижный группы заперты. Выходное напряжение близко к Е_п.

Схема И-НЕ имеет параллельно соединённые транзисторы в верхней части и последовательно соединённые в нижней. Элементы типа КМОП обладают отличными параметрами и относятся к весьма перспективным, а в перспективе могут оказаться доминирующими.

Параметры базового элемента серии К564:

• напряжение питания от 3 до 15в;

• допустимая амплитуда помех 45% от Е_п;

• задержка распространения сигнала при С_н= 15 пф и Е_п= 10в составляет 80нс;

• логические уровни напряжений: U₀<=0,01в;U₁>= (Е_п– 0,01)в.

С увеличением напряжения питания быстродействие возрастает, так как уменьшается сопротивление открытого канала и перезаряд нагрузочной ёмкости С_нускоряется.

В 80-х годах после освоения нового полупроводникового материала – арсенида галлия начала развиваться схемотехника на основе транзисторов «металл-полупроводник» или МЕП – транзисторов. На основе арсенида галлия достигается десятикратное повышение быстродействия, так как подвижность электронов в арсениде галлия в 50~100 раз выше, чем в кремнии. Применяемые в арсенид-галлиевых схемах полевые транзисторы типа МЕП с барьером Шотки по принципу работы подобны полевым транзисторам с управляющим переходом, но вместо управляющего p-n перехода в них используется контакт «металл-полупроводник». Поэтому наряду с названием «МЕП – транзистор» они ещё имеют название «полевой транзистор с барьером Шотки», ПТШ.

В настоящее время преимущественно изготовляются схемы на полевых транзисторах и диодах Шотки (ПТДШ).

Элемент ИЛИ-НЕ в технике ПТДШ содержит диодную логическую схему (Д1-Д4), источник тока на транзисторе Т₁,

инвертор на ключевом транзисторе Т₂и нагрузочный транзистор Т₃. Диод Д5 служит для сдвига уровня потенциала. Транзисторы работают в режиме объединения канала и управляются уровнями напряжений –1,5в и +0,5в. Площадь, занимаемая элементом ПТДШ равна 600-2000мкм², потребляемая им мощность 0,2-2мвт, время задержки сигнала составляет 50-120пс. Такие схемы находят применение прежде всего в быстродействующих устройствах обработки сигналов на входах цифровых систем.

Специальные элементы ЭВМ.

Значительную часть современных ЭВМ составляют блоки управления, обмена информацией, индикации, контроля и диагностики и т.п. В этих блоках используются схемы, выполняющие различные специальные функции:

- преобразование уровней; - генерирование различных сигналов; - формирование временных параметров сигналов и др.

Расширители.

_____Расширители - специальные элементы цифровых устройств предназначенные для увеличения количества логических входов у логических элементов, расширения класса реализуемых этими элементами логических функций и построения нетиповых схем. Поскольку первые две функции расширителей - основные, расширители выполняются в составе каждой конкретной серии на основе базовой схемы или ее части. Пусть в нашем распоряжении имеются диодно-транзисторные элементы И-НЕ (см. рис.). Для этих элементов используются расширители двух типов.

Расширители первого типа предназначены для увеличения количества входов, реализующих операцию И, это так называемые диодные сборки, которые подключаются ко входу базовой схемы.

Расширители второго типа предназначены для расширения класса реализуемых функций, т.е. функции ИЛИ. Схема такого расширителя отличается от базовой схемы только отсутствием резистора R₃в цепи коллектора транзистора, поэтому в качестве такого расширителя можно использовать другую базовую схему, выход которой подключают к точке А. В некоторых сериях элементов ДТЛ существует дополнительный расширительный вход S выведенный от общей точки диодовД₄ иД₅. В этом случае операцию ИЛИ можно реализовать с помощью расширителя следующего вида:

Так как в элементах ТТЛ операция И реализуется с помощью многоэмиттерного транзистора, то увеличить количество соответствующих входов внешним монтажом нельзя. В элементах ТТЛ расширители предназначены для расширения класса реализуемых функций, т.е. для реализации функции ИЛИ:

Выводы К и Э расширителя присоединяются к соответствующим выводам К и Э базовых логических элементов. Для логических элементов на переключателях тока (ЭСЛ) типовой расширитель по ИЛИ имеет вид:

Если расширитель имеет отдельный вывод подложки, то его необходимо присоединить к точке с наименьшим потенциалом, с тем чтобы диоды коллектор-подложка были закрыты. Так как в большинстве серий элементов ЭСЛ выходы свободные и подключаются к встроенным сопротивлениям внешним монтажом, то возможно применение "монтажного ИЛИ" по следующей схеме:

В этом случае все эмиттеры выходных цепей объединяются и подключаются к одному из резисторов в любом элементе ЭСЛ, а остальные резисторы не используются.

Преобразователи уровней.

_____Преобразователи уровней - специальные элементы цифровых устройств, предназначенные для обеспечения совместимости логических уровней различных типов цифровых элементов. Эта задача возникает, если необходимо обеспечить управление элемента одной серии элементом другой серии или схемой, выполненной на дискретных компонентах и т.д.

Кроме обеспечения совместимости логических уровней преобразователи уровней должны удовлетворять специальным требованиям, например таким, как сохранение преобразователем порогового уровня управляющего элемента, уровней токов в обоих типах элементов, способа кодирования двоичных переменных , обеспечение заданных требований по нагрузочной способности и параметрам быстродействия, необходимость выполнения логических операций преобразователем уровня, обеспечение парафазных выходов и т.п.

По способу связи между управляющими элементами и преобразователями уровней последние подразделяются на потенциальные или с непосредственной связью, и на динамические, или с емкостной, а также с трансформаторной связью.

По виду схемы преобразователи уровней подразделяются на схемы пассивные, ключевые и на переключателях тока. Рассмотрим несколько примеров.

Пусть требуется обеспечить управление исполнительным устройством срабатывающим от напряжения 27 В при управлении от элементов ТТЛ серии 155

( Е_п=5в ).

Одна из схем данного преобразователя уровней имеет вид:

Она представляет собой ключевую схему с комбинацией транзисторов n-p-n и p-n-p типов. При уровне "0" на выходе управляющего элемента ТТЛ транзисторы закрыты, через выходное сопротивление исполнительного устройства R_{вх UY}течет приблизительно нулевой ток ( коллекторный ток закрытого транзистораТ₂). При уровне "1" на выходе элемента оба транзистора насыщены и на входном сопротивлении исполнительного устройства будет напряжениеU_п=27в. Для коллекторного токаТ₂можно записать:

Если принять:

Расчет ведут обычно для наихудшего случая, т.е.

Пусть эти величины имеют отклонения ±10%, тогда

тогда

Существенным недостатком рассмотренной схемы является возможность выхода ее из строя при случайном закорачивании ее выхода на общую шину при наличии уровня "1" на выходе элемента ТТЛ. Защита от этого производится с помощью двух диодов Д₁иД₂.

В нормально работающей схеме Д₁всегда закрыт и не оказывает никакого влияния на работу элемента. Если же выход схемы закорачивается на общую шину, тоД₁фиксирует потенциал точки А при высоком потенциале на выходе элемента ТТЛ на уровне0,7в, недостаточном для открыванияТ₁, для чего надо обеспечить уровень в точке А 1,4 В, а следовательноТ₁иТ₂закрываются и остаются в этом состоянии пока выход закорочен на общую шину.

Если не требуется привязка входа исполнительного устройства к общей шине, то преобразователь уровня можно выполнить на одном транзисторе:

Существенный недостаток данной схемы - возможность выхода ее из строя при случайном замыкании выхода на источник U_nпри уровне "1" на выходе управляющего ТТЛ элемента. Защита этой схемы обеспечивается включением между выходной клеммой и коллекторомТ₁максимально возможного сопротивленияR_б, при котором еще обеспечивается надежное срабатывание исполнительного устройства.

Другой пример. Пусть требуется разработать преобразователь уровней U⁰=0 иU¹= -6в в уровни элементов ТТЛ типа.

Схема его имеет вид:

Когда транзистор Т₁находится в режиме отсечки, параметры схемы обеспечивают такой же режим и для транзистораТ₂. В этом случае на выходе действует высокий потенциал уровня "1". Иногда, стремясь к типовому значениюU¹_вых=3,6в, характерному для элементов ТТЛ типа, в схему вводят специальный резисторR₅, который вместе с резисторомR₄образует делитель, обеспечивающий уровень 3,6 В, разумеется, с учетом входных токов нагрузок.

В настоящее время серийно выпускаются преобразователи уровней, выполненные в виде интегральных схем предназначенные для преобразования уровней элементов ТТЛ типа в уровни элементов ЭСЛ типа. Наиболее часто их строят как совокупность диодно-транзисторных схем, работающих по принципу переключения тока во входных цепях, и схем эмиттерно-связанной логики, работающих по принципу переключения токов в коллекторных цепях, при наличии общего участка схемы, на котором действуют оба источника питания.