4.3.3. Микросхемы эмиттерно-связанной транзисторной логики

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики ЭТСЛ представляют собой транзисторные переключательные схемы с объединенными эмиттерами и обладают наибольшими по-сравнению с другими типами микросхем быстродействием и большой потребляемой мощностью. Большое быстродействие обусловлено тем, что в этих ключах биполярные транзисторы работают в ненасыщенном (линейном) режиме. На выходах ключей установлены эмиттерные повторители, ускоряющие процесс перезаряда емкости нагрузки. Уменьшение времени задержки достигается также и за счет уменьшения разности напряжений между лог. «0» и лог. «1», что, однако приводит к снижению помехоустойчивости.

Рассмотрим принцип работы ЭТСЛ на примере базового логического элемента, выполняющего одновременно функции ИЛИ-НЕ и ИЛИ (рис. 4.9).

Схема состоит из дифференциального усилителя на транзисторах VT1…VT3. В этом усилителе при подаче логических уровней на входы Х1, Х2 ток может протекать либо через транзистор VT3 (когда на обеих входах установлено напряжение логического «0» (U =-1,65 В), либо через транзисторы VT1 или VT2 или оба вместе при подаче на

один или оба входа напряжения лог. «1» (U =-0,96 В). Выходные эмиттерные повторители VT5,VT6 подключаются к источнику смещения -2 В через внешние резисторы 50 Ом. Когда закрыт VT3 на выходе Y1 устанавливается напряжение

-0,96 В, соответствующее лог. «1», а на выходе Y – напряжение -1,85 В,

Рис. 4.9. Схема электрическая принципиальная ЭТСЛ элемента ИЛИ-НЕ / ИЛИ

соответствующее лог. «0». Когда VT3 открыт, на выходе Y устанавливается напряжение -0,96 В, соответствующее лог. «1», а на выходе Y1 – напряжение -1,85 В, соответствующее лог. «0». Микросхемы ЭТСЛ при использовании совместно с ТТЛ, или КМОП микросхемами требуют применения специальных преобразователей уровня. Достаточно высокое входное сопротивление ЭТСЛ (~ 50 кОм), и низкое выходное, обуславливают высокий коэффициент разветвления (более 15).

Большая потребляемая мощность, наличие большого числа компонентов в логических элементах ограничивают применение ЭТСЛ в БИС и СБИС.

4.3.4. Инжекционные интегральные логические схемы (и2л)

Для повышения технологичности изготовления желательно при разработке ИС применять схемотехнические решения, использующие только однотипные элементы, например транзисторы. Этот путь, как было показано ранее, реализован в ИС МДП, что наряду с другими достоинствами является причиной их широкого распространения. Однако, как уже отмечалось, ключ на биполярных транзисторах на сегодняшний день обладает лучшими как ключевыми, так и частотными свойствами. Это является предпосылкой к постоянному поиску новых схемотехнических решений для реализации биполярных ИС. Такой поиск привел к почти одновременной разработке фирмами Philips и IBM элемента интегральной инжекционной логики (И²Л).

В основе И²Л схем лежат дна принципа схемотехники и технологии биполярных схем: 1) совмещение электрически связанных однородных областей полупроводника в кристалле ИС, что приводит к увеличению степени интеграции;

2) отказ от традиционного способа питания цепи базы и коллектора ключевых транзисторов через резисторы.

На рис. 4.10 показана инжекционная структура с дополнительным р — n-переходом. Если база (область р₂) переключающего вертикального транзистора n₂ — р₂ — n₁ -типа расположена вблизи прямосмещенного перехода р₁—n₁, то часть инжектированных данным переходом дырок попадает в область базы р₂. В результате нарушения электронейтральности базы этого транзистора через переход база — эмиттер начинает протекать ток, смещающий этот переход в прямом направлении. Область р₁, введенную для инжекции избыточных носителей, называют инжектором Е. Питание инжектора осуществляется от внешнего генератора тока или от источника напряжения через резистор (один внешний резистор).

Рис. 4.10. Упрощенная топология элемента И Л

Рис. 4.11. Эквивалентная схема элемента И Л

Данную инжекционную структуру можно представить в виде схемы, содержащей два транзистора: токозадающий горизонтальный р₁—n₁—р₂-типа (включен по схеме с общей базой) и переключающий вертикальный n₂ — p₂—n₁-типа (рис. 4.11, а). Упрощенная эквивалентная схема состоит из транзистора n — p — n-типа и генератора тока I в цепи его базы (рис. 4.11,б). Обычно транзистор n — p — n-типа выполняется с несколькими коллекторами (область n₃ на рис. 4.10).

Когда транзисторы VT1 и VT2 закрыты, транзистор VT3 открыт током инжектора I (сплошная линия прохождения тока на рис. 4.12) и напряжение в узле 2 И²Л

U =U =0,75 В (лог. «1»)

Рис. 4.12. Эквивалентная схема структуры И Л

что соответствует уровню логической 1. Если транзистор VT2 откроется, то ток инжектора VT3 переключится в цепь коллектора VT2 (пунктирная линия на рис. 4.12) и транзистор VT3 закроется. В узле 2 будет напряжение насыщения коллектора VT2:

U =U =0,05 В (лог. «0»).

Площадь, приходящаяся на один ЛЭ в схемах в И²Л, приблизительно в 10 раз меньше, чем в схемах ТТЛ. Применение диодов Шотки в схемах И²Л позволяет без увеличения потребляемой мощности получить еще более высокое быстродействие.

 

Высокое быстродействие элементов И²Л при малой потребляемой мощности объясняется незначительными паразитными емкостями, отсутствием накопления заряда и очень небольшой разницей логических уровней. Типичное время задержки составляет 10 нс, а использование структур И Л с диодами Шотки позволяет получить время задержки менее 0,1 нс.