ЛЕКЦИЯ №5

Потенциальные системы элементов.

План:

1. Интегральные схемы эмиттерно-связанной логики.

2. Интегральные схемы с инжекционным питанием.

3. Логические схемы на И²Л.

Ключевые слова:

Ненасыщенный режим работы транзистора, переключатель тока, источник опорного напряжения, эмиттерный повторитель, инжекционное питание транзисторов, интегральные инжекционные схемы.

ИМС эмиттерно-связанной логики

Среди ЦИС ЭСЛ представляют собой в настоящее время самые быстродействующие серии схем потенциального типа. Схемы ЭСЛ составляют серьёзную конкуренцию семейству ТТЛ схем из-за ряда положительных качеств. Достоинства ЭСЛ обусловлены их схемотехникой, которая использует в качестве основного элемента дифференциальный усилитель (переключатель тока) с транзисторами, работающими в ненасыщенном режиме.

Схема базового логического элемента «ИЛИ-НЕ» / «ИЛИ» серии ЭСЛ

U_un=-5,2В, U_см=-2В,

U⁰_вх=-1,85В, U¹_вх=-0,81В,

U⁰_вых=-1,65В, U⁰_вых=-0,96В.

ДУ – дифференциальный усилитель, ПТ – переключатель тока, ИОН – источник опорного напряжения, ЭП – эмиттерный повторител.

Схема состоит из дифференциального усилителя, собранного на транзисторах Т₁  Т₄.

В этом усилителе при подаче на входы перепада напряжения ток I_э может протекать либо через Т₅, на базу которого постоянно подано опорное напряжение U_оп = -2,9 В. (В это время на входах Х₁Х₃ имеется отрицательное запирающее напряжение), либо через Т₁Т₃, когда на их базы подается потенциал  U_оп. Опорное напряжение U_оп = -2,09 В создаётся специальной температурно-компенсированной схемой (Т₅, Д₁, Д₂, R₈, R₉).

Выходные эмиттерные повторители (Т₆ и Т₇) подключаются к источнику смещения уровня Uсм = -2В через внешние нагрузочные резисторы R₁₀ и R₁₁. Наличие на выходах схемы эмиттерных повторителей, имеющих низкое выходное сопротивление, обеспечивает значительную перегрузочную способность схем ЭСЛ.

Достоинства:

1. Самое высокое быстродействие среди п/п схем;

2. Расширение логических возможностей, обусловленное наличием 2-х выходов с прямыми и инверсными значениями функции.

3. Постоянство тока потребления от источника питания;

4. Большая нагрузочная способность;

5. Высокая стабильность динамических параметров.

Недостатки:

1. Схемотехническая сложность;

2. Большая мощность рассеяния.

Интегральные схемы с инжекционным питанием

Схемы с инжекционным питанием, называемые также интегральными инжекционными схемами (элементы И²Л - типа) были разработаны почти одновременно специалистами двух фирм “Philips” и “IBM” в 1972 году.

Эти схемы являются развитием схем с непосредственными связями. Основные положения, на которых базируется построение схем с непосредственными связями остаются в силе при построении И²Л - схем.

Важные отличительные особенности элементов И²Л:

1. Отсутствие резисторов, занимающих на кристалле большую площадь. Вместо традиционной цепи питания транзисторов применен принцип прямой инжекции носителей заряда в пространственную область кристалла, питающую окружающие эту область транзисторные структуры;

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

3. Малое число схемных элементов и межсоединений.

Отличительные особенности элементов И²Л и сложных схем, на их основе придают им технологичность, компактность, невысокую стоимость при сохранении достаточно хорошего быстродействия и получении ряда высоких показателей по другим параметрам.

Области p₁-n₁-p₂ – образуют горизонтальный транзистор типа p-n-p, а области n₂-p₂-n₁ образуют вертикальный транзистор n-p-n. Слой n₁+ низкого сопротивления (высоколегированный) введен для снижения сопротивления области n₁. Область n₁ служит одновременно базой горизонтального и эмиттером вертикального транзисторов, а область р₂ - коллектором - и базой.

Переход р₁ - n₁ смещается в прямом направлении подачей в область р₁ тока I. Носители заряда (дырки), инжектированные из области р₁, обеспечивают питание транзисторов в окрестности этой области. Большинство носителей собирается областями р₂. Горизонтальные транзисторы имеют несколько коллекторов, их структура напоминает инверсно включенный многоэмиттерный транзистор.

Схема замещения рассмотренной структуры содержит источник тока питания I_пит, задаваемый извне, транзистор с общей базой, соответствующей горизонтальному транзистору в коллекторе которого протекает ток I_u и многоколлекторный транзистор (вертикальный транзистор).

Базовым элементом ТТЛ стал транзисторный ключ со сложным инвертором – двухполярный ключ. Использование сложного инвертора позволило увеличить быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочную способность и снизить требования к параметрам транзисторов по сравнению со схемой ТТЛ с простым инвертором.

Промышленностью выпускается несколько разновидностей микросхем ТТЛ:

– стандартные серии 133, К155 с высоким быстродействием 130, К131 микромощная серия 134;

– серии с диодами Шоттки 530, К531 микромощная с диодами Шоттки К555.

Разновидностью схем ТТЛ является схема ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ). Эти схемы имеют высокое быстродействие, благодаря тому, что II переходу Б-К включён диод Шоттки, используемый в количестве ограничивающего диода.

Основу элементов И²Л – ключ, представляющий собой транзистор с инжекционным питанием, состоящий из генератора тока инжекции I_и и транзистора с открытым коллекторным выходом.

Если выход закоротить («0»), ток I_и не будет проходить в базу транзистора T₁ и транзистор будет закрыт, это состояние кодируется логической «1». Если вход разомкнуть (режим холостого хода на входе), то ток I_и поступает в базу T₁, откроет его до поступления насыщения и обеспечит тем самым режим короткого замыкания на выходе – это состояние кодируется логической «1». Параллельное соединение нескольких ключей образует логический элемент. Для реализации операции «ИЛИ» необходимо к выходу подключить дополнительный инвертор.

Достоинства:

И²Л элементов – низкое энергопотребление (0,1 – 1 мкВт) при достаточном быстродействии (единицы Мгц) и высокая степень интеграции.

Недостатки:

Малый логический переход (<0,5 В). чувствительность к помехам и невозможность непосредственного сопряжения с логическими элементами других типов.

Вопросы для контроля:

1. Каковы преимущества схем ЭСЛ?

2. Какие недостатки присущи элементам ЭСЛ логики?

3. Чем объясняется высокое быстродействие схем ЭСЛ?

4. Для чего используется источник опорного напряжения,

5. Как выглядят схемы основных логических элементов И²Л?

6. Каковы отличительные особенности элементов И²Л?

7. Почему не возможно непосредственное согласование элементов И²Л с логическими элементами других типов?

Литература:

1. Схемотехника ЭВМ. Учебник для ВУЗов под редакцией Соловьева Г.Н. – М.; Высш.шк., 1985, с.45-47.

2. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.38-41.

3. Микропроцессоры т.2/ Под редакцией М.Н.Преснухина – М.; Высш.шк., 1986, с.87-94.