9.14. Интегральная инжекционная логика (и2л)

Схемы интегральной инжекционной логики иногда называемые совмещенной транзисторной логикой (СТЛ) или схемами с инжекционным питанием нашли широкое применение при создании БИС и СБИС и не имеют аналогов среди логических элементов на дискретных транзисторах. В БИС с инжекционным питанием питание осуществляется путем инжекции неравновесных носителей в полупроводниковый кристалл через инжекторный переход.

Питание инжектора осуществляется от внешнего генератора тока или от источника напряжения через внешний резистор. Напряжение питания невелико и составляет 1…1,5 В. Схемы с инжекционным питанием могут нормально функционировать при изменении тока питания I_п в широких пределах (10^-8…10^-3 А), что достигается изменением сопротивления резистора, который для уменьшения мощности рассеивания в кристалле находится вне корпуса микросхемы. Изменяя сопротивление резистора R или напряжение источника питания U_ип можно в широких пределах (3…4 порядка) регулировать ток питания, мощность потребляемую схемой и быстродействие, что невозможно выполнять в ТТЛ и ЭСЛ схемах. Инжекционные логические схемы способны работать при сверхмалых токах (1 нА), в связи с чем возникает проблема токовой совместимости с другими логическими элементами. Увеличение тока получают с помощью каскадирования элементов И²Л с соответствующим увеличением площади коллекторов от каскада к каскаду. Входная цепь И²Л выполняется с учетом совместимости своих входных и выходных сигналов от предшествующих каскадов, которыми обычно служат элементы ТТЛ типа.

Основой элементов интегральной инжекционной логики является ключ, представляющий собой транзистор с инжекционным питанием. Упрощенная эквивалентная схема которого состоит из транзистора n–p–n типа и генератора тока инжекции I_и в цепи базы. Схема элемента, выполняющего логическую операцию ИЛИ–НЕ, представлена на рис. 9.23,а.

Принцип работы схемы следующий. Если хотя бы на один из входов схемы подать сигнал логической единицы, от предыдущей схемы, у которой транзистор закрыт, то ток от генератора тока I_и потечет в базу транзистора, транзистор открывается и переходит в режим насыщения. Выходное напряжение соответствует логическому нулю. Если на обоих входах действуют сигналы логического нуля, т.е. входы закорочены, токи I_и не будут проходить в базу транзисторов, а потекут во входные цепи. Транзисторы VТ₁, VТ₂ будут закрыты, их выходное напряжение соответствует логической единице. Таким образом параллельное соединение нескольких ключей образует логический элемент ИЛИ–НЕ.

Принципиальная схема логического элемента И–НЕ представлена на рис. 9.23,б. Сигнал на общем выходе схемы – коллекторе транзистора VТ₅ будет тогда, когда на входы одновременно поступают одинаковые сигналы. Если на все входы подается низкий потенциал, соответствующий логическому нулю, инвертор VТ₅ закрывается, и на выходе имеется высокий потенциал.

При подключении нескольких входных цепей к выходу одного каскада может ухудшиться функциональная надежность элемента, потому что входные (базовые) токи нагрузочных транзисторов в режиме насыщения зависят от коллекторных токов входных транзисторов. Транзисторы с большими коллекторными токами будут иметь меньший коэффициент насыщения. Для устранения этого недостатка используются многоколлекторные n–р–n транзисторы, у которых в области базы формируется несколько коллекторных областей. Каждый коллектор в элементе И²Л-типа рассматривается как независимый источник выходного сигнала. Наличие нескольких коллекторов позволяет получить развязанные логические выходы для одной ключевой схемы, что облегчает построение сложной логической схемы. На рис. 9.24 представлена схема, выполняющая логические операции ИЛИ–НЕ и ИЛИ, которая является основой для создания более сложных цифровых схем. Число коллекторов переключательного транзистора определяет нагрузочную способность схемы.

И нтегральные инжек-ционные логические схемы являются перспективными для совершенствования БИС. Струк-туры с инжекционным питанием все время совершенствуются за счет:

1. Использования диодов Шотки для реализации логичес-ких функций и уменьшения логического перепада.

2. Создания структур с низкоомным эмиттером, активная область эмиттерного перехода приближается к размеру коллек-тора.

3. Применения метали-ческого коллектора.

Достоинствами элементов интегральной инжекционной логики и микросхем на их основе являются: малое потребление энергии, среднее быстродействие, высокая степень интеграции.

Недостатками являются: малый перепад между логической единицей и нулем, чувствительность к помехам, невозможность непосредственной стыковки с другими типами логических микросхем. Элементы И²Л используются для создания БИС и СБИС, где они выполняют все логические функции внутри структуры и связь с внешними цепями осуществляется с помощью ТТЛ элементов.