5 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

5.1 Определения. Классификация

Интегральная микросхема – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность размещения электрически соединенных элементов, которые выполнены в едином технологическом цикле и на общей подложке.

5.4 Цифровые интегральные схемы

Цифровые интегральные схемы (ЦИС) – это устройства, обрабатывающие информацию, представленную в двоичной системе исчисления.

5.6 Транзисторно – транзисторная логика

Транзисторно-транзисторная логика применяется в микросхемах малой и средней степени интеграции.

Степень интеграции считается малой, если на одной подложке размещается не более 100 логических элементов.

Степень интеграции считается средней, если на одной подложке размещается от 100 до 1000 логических элементов.

Степень интеграции считается большой, если на одной подложке размещается более 1000 логических элементов.

5.6.1 Схема с простым инвертором

Г лавной особенностью этой логики является наличие многоэмиттерного транзистора, включенного во входной цепи (рис. 5.8). Он изготовлен и разработан так, что может работать только в двух режимах: насыщения и инверсном.

Рассмотрим режим, когда на все входы подается логическая «1».

В

Рис. 5.8

се эмиттерные переходы закрыты в этом состоянии и транзистор Т1 находится в инверсном режиме. Ток базы от источника питания через открытый коллекторный переход поступает в базовую цепь транзистора Т2. Транзистор Т2 открыт и насыщен, то есть он обладает очень малым сопротивлением, падение напряжения маленькое, тогда на выходе логического элемента будет логический «0».

Рассмотрим режим, когда хотя бы на одном из входов логический «0».

Соответствующий эмиттерный переход открыт. Транзистор Т1 оказывается в режиме насыщения, поэтому ток базы I_б0 потечет в открытый эмиттерный переход. Транзистор Т2 оказывается закрытым и обладает большим сопротивлением. Тогда на выходе появляется логическая «1»:

U¹ = Е_п – I¹_н R₂.

Данный логический элемент выполняет логическую функцию «И-НЕ».

С хема с простым инвертором имеет низкую нагрузочную способность, коэффициент разветвления не более 5, невысокий уровень помехоустойчивости (при комнатной температуре около 200 мВ).

Обычно такие схемы используются как схемы с открытым коллектором (рис. 5.9), чтобы получать индикаторы или для реализации схем монтажного ИЛИ.

5.6.2 Схема со сложным инвертором

Р ассмотрим режим, когда на всех входах – логическая «1».

Транзистор Т1 находится в инверсном режиме. Транзисторы Т2, Т3 – открыты. Транзистор Т4 – закрыт. На выходе появляется логический «0».

Е

Рис. 5.10

сли хотя бы на одном из выходов логический «0», тогда транзистор Т1 находиться в режиме насыщения, транзисторы Т2 и Т4 – закрыты, Т3 – открыт. На выходе появляется логическая «1»:

И¹ = Е_п– 2U*,

где U* - напряжение на открытом кремниевом переходе: U* = 0,7 В.

Диод Д4 необходим для надежного запирания транзистора Т3 в режиме логического «0» на выходе. Диоды Д1, Д2, Д3 на входах называются антизвонными диодами. Они ограничивают амплитуду отраженной помехи при несогласованной нагрузке.

О собенность ТТЛ со сложным инвертором – это передаточная характеристика (рис. 5.11).

Скос в характеристике вызван тем, что сначала отпирается транзистор Т2, а потом только транзистор Т4. Чтобы устранить скос, R3 заменяют цепочкой коррекций (рис. 5.12). В этой схеме применяется напряжение питания, равное 5 В. Они имеют более высокую нагрузочную способность, более высокую помехоустойчивость.

5.9 Эмиттерно-связанная логика

Эмиттерно-связанная логика – это самая быстродействующая логика. Объясняется это тем, что транзисторы в этих логических элементах работают в активном режиме и переходные процессы связаны только с перезарядкой паразитных емкостей.

Основной элемент, на котором строится эта логика, – переключатель тока (рис. 5.17).

Э миттерный ток I_Э задается генератором стабильного тока, состоящим из источника тока и эмиттерного сопротивления.

Uвх = -Uоп

I_К1 = I_К2= I_Э/2

Для транзисторов, работающих в активном режиме, существует следующая зависимость:

I_K = I_ЭБ0 ,

где φ_Т – температурный потенциал.

Если И_БЭ изменить на величину порядка ± 60мВ, то коллекторный ток будет изменяться в 10 раз.

Если на вход подать сигнал Uвх = ‑ Uоп ‑ U,

где U = 60мВ,

тогда коллекторный ток первого транзистора будет равен нулю, а коллекторный ток второго транзистора равен I_Э.

На выходе 1 будет:

U_вых1 = - Rк I¹_н = U¹ – логическая «1»

I¹_н – входной ток следующего каскада.

На выходе 2 будет:

U_вых2 = - Rк I_Э = U⁰ – логический «0»

Если на вход подать сигнал Uвх = -U_оп + U,

тогда I_к1  I_Э, I_к2 = 0, ток переключится в другое плечо.

U_вых2 = - R_к I¹_н = U¹

U_вых1 = - R_к I_Э = U⁰

Выход 1 – инверсный

Выход 2 – прямой.

Переключение тока осуществляется при изменении входного сигнала на величину 2U = 120 мВ.

Чтобы получить из переключателя тока логический элемент, надо параллельно присоединить несколько входных транзисторов (рис. 5.18). Передаточная характеристика представлена на рис. 5.19.

Схема на рисунке 5.18 выполняет:

по выходу 1 – логическую операцию «ИЛИ-НЕ»,

по выходу 2 – логическую операцию «ИЛИ».

Особенности ЭСЛ:

1 В ЭСЛ применяется отрицательное напряжение питания, поэтому выходной сигнал тоже меньше нуля. Это позволяет снизить нестабильность выходного сигнала в R_Э/ R_К раз.

2 Логический «0» на выходе зависит от входного сигнала:

,

где U^* - напряжение отпирания кремниевого р-n-перехода.

3 ЭСЛ имеет низкий логический перепад: 0,3 до 0,5 В, и очень низкую помехоустойчивость. При температуре 125 С она равна 40мВ. Также у ЭСЛ низкая нагрузочная способность около 4÷5.

4 Имеет место ограничение изменения входного сигнала, для того, чтобы транзисторы не вышли из активного режима.

Для увеличения помехоустойчивости, логического перепада, нагрузочной способности на выходе ставят эмиттреные повторители (рис. 5.20). Это позволяет подавать логический элемент к линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом.

Р езистор играет вспомогательную роль и ставится не во всех сериях. Выходные эмиттерные повторители позволяют увеличить логический перепад до величины 800 мВ, помехоустойчивость ‑ до 200 мВ. Нагрузочная способность - 10÷20. Для снижения потребляемой мощности на эмиттерные повторители может подаваться другое напряжение питания, чем на внутреннюю схему. Потребляемая мощность логического элемента составляет до 40 мВ. Средняя задержка распределения до 3 нс. Работа переключения у современных элементов имеет порядок 5 мДж.

Для согласования ЭСЛ с ТТЛ применяются специальные схемы согласования. Например, микросхемы серии 100ПУ125, К500ПУ125.