Вопрос 3 Элементы интегральной инжекционной логики

Элементы ТТЛ, ТТЛШ и ЭСЛ содержат в своём составе резисторы, которые занимают значительную площадь полупроводникового кристалла. Кроме того, полезная площадь кристалла на создание изолирующего кармана для каждого транзистора, резистора и других элементов. В результате существенно снижается плотность упаковки интегральной схемы. В этом отношении среди ЛЭ на БТ лучшие показатели имеют И²Л, в которых отсутствуют резисторы и не нужна изоляция транзисторов.

Основа элементов И2Л – многоколлекторный БТ с инжекционным питанием.

Структура элемента И2Л на основе двуколлекторного транзистора с инжекционным питанием.

В отличие от обычных БТ, БТИ с инжекционным питанием имеет дополнительный электрод - инжектор. Питание транзистора осуществляется путем инжекции неосновных носителей через включенный в прямом направлении инжекторный переход p1-n1. Для чего к инжектору через внешний по отношению к ИС резистор R подключается источник питания.

Структуру транзистора с инжекционным питанием можно представить эквивалентной схемой Рисунок 2, состоящей из токозадающего транзистора VT_T типа p1-n1-p2 и двухколлекторного переключательного БТ VT_П типа n1-p2-n2, Iи – ток инжектора (обусловленный инжекцией дырок из области p1 в область n1 и инжекции электронов в обратном направлении).

Структура многоколлекторного транзистора похожа на многоэмиттерный (но n1- коллектор, а p1- эмиттером). Область n1 – база транзистора VTt и эмиттером транзистора VTп, а область p2 – коллектора VTt и базой транзистора VTп. Входом ЛЭ служит база VTt, а выходами – его коллекторы.

При подключении данного ЛЭ к выходу предыдущего ЛЭ, а выходы к входам последующих ЛЭ, в коллекторной цепи транзистора VTt протекает коллекторный ток этого транзистора, который является для него генератором тока Iг=Iк=α_T Iи.

При изготовлении ИС на элементах И2Л области p1 и n1 выполняют общими для нескольких ЛЭ.

ДЛЯ выполнения логической операции, выполняемой базовым элементов И2Л, рассмотрим последовательное соединение VT_П1, VT_П2, VT_П3 и общим VTt

1. Допустим если VTп1 закрыт, то Iг2 замыкается на базу VTп2 и вводит его в насыщение. А ток Iг3 замыкается в коллектор VTп2 , не ответвляясь в базу третьего, поэтому VTп3 тоже закрыт.

Uвх = Uбэ2 = 0,7В = U¹ Uвых = Uкэ2 нас = 0,2В = U⁰ ∆Uл = 0,5В

2. Если 1 насыщен (открыт), то Iг2 замыкается в его коллектор, не ответвляясь в базу второго, поэтому второй закрыт и Iг3 замыкается в базу VTп2, который входит в насыщение

Uвх = Uкэ1 нас = 0,2В = U⁰ Uвых = Uбэ3= 0,7В = U¹ ∆Uл = 0,5В

И2Л выполняет операцию НЕ (является инвертором с одним входом и двумя выходами). Передаточная характеристика:

Примеры: серии 541, 582, 583, 584, 1808, 1815

Достоинства:

1. Высокая плотность упаковки

2. Малая потребляемая мощность (важно для БИС и СБИС)

3. Относительно высокое быстродействие (от 10 нс)

Недостаток:

Низкая помехоустойчивость

Логические элементы на мдп-транзисторах

Вопросы:

ЛЭ на МДП-транзисторах одного типа проводимости

Схема базового элемента nМОПТЛ

Основа ЛЭ составляет цифровой ключ с общим истоком, в котором один транзистор – ключевой элемент, второй – стоковая нагрузка.

Наибольшее применение в ЦИС получили ЛЭ на МДП-транзисторах с индуцированным каналом n-типа, как наиболее быстродействующие, так как подвижность электронов, являющихся носителями зарядов в n-канальных транзисторах, выше подвижности дырок (в p-канальных). Кроме того элементы nМОПТЛ хорошо согласуются с элементами ТТЛ по напряжению питания и напряжению высокого и низкого уровня.

В этой схеме параллельно соединенные Vt1, Vt2 – ключевые, а VT3 – стоковая нагрузка. VD1, VD2 – стабилитроны, ограничивающие вх.напряжение на безопасном уровне (пробой статическим электричеством).

Принцип действия:

VT3 – всегда открыт (постоянно индуцирован канал n-типа из-за подключения затвора +Uп, а подложки к земле, в результате напряжение между подложкой и затвором выше порогового уровня отпирания транзистора).

1. X1=x2=U⁰ <Uзи пор, VT1, VT2 закрыты, выход = Uп=U¹

2. X1 и(или) Х2 = U¹> Uзи пор, VT1 и (или) VT2 открыт, выход = U⁰

Чтобы выполнялось условия U⁰<Uзи пор транзисторы Vt1, Vt2 должны иметь короткий и широкий канал (сопротивление ед. кОМ), а VT3 – длинный и узкий канал (дес. кОм)

Выполняемая логическая операция ИЛИ-НЕ

X1	X2	Y
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Примеры: серии 132, 565, 1809

Достоинства:

1. Высокая плотность упаковки за счёт отсутствия резисторов, занимающих большую площадь на кристалле ИС

2. Относительно малая потребляемая мощность

3. Хорошая помехоустойчивость за счёт большого логического перепада (почти = напряжению питания)

Недостаток:

Низкое быстродействие (≈ 100нс), так как при выключении ЛЭ емкость нагрузки заряжается через большое сопротивление канала VT3 с большой постоянной времени.