11.4. Базовые схемы

Реальные схемы цифровой электроники строятся на транзисторах, работающих в ключевом режиме: транзистор может находиться либо в состоянии насыщения, либо в запертом состоянии. При отрицательном и нулевом относительно эмиттера напряжениях на базе в схеме с общим эмиттером транзистор типа n-p-n закрыт и напряжение на его коллекторе равно напряжению источника питания. Если же на базу подано положительное напряжение достаточной величины и транзистор полностью открыт, то оба его р -n-перехода смещены в прямом направлении (рис. 11.4).

Ш ирокое распространение получили схемы цифровой электроники, в которых логическому нулю соответствует диапазон напряжений, заведомо охватывающий напряжения на любых насыщенных транзисторах: от 0 до 0,4 В. Эта схемы так называемой транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). За логическую единицу в большинстве типов такого рода схем приняты напряжения от 2,5 до 5 В. В устойчивом состоянии входные и выходные сигналы схем ТТЛ не могут принимать значения в интервале от 0,4 до 2,5 В (рис. 11.5).

Рис. 11.3. К вопросу синтеза и минимизации комбинационных схем

Рис. 11.4. Кремниевый транзистор в насыщенном состоянии

Рис. 11.5. Уровни напряжения в элементах ТТЛ

Простейшая схема инвертора на биполярном транзисторе изображена на рис. 11.6а. В реальных схемах ТТЛ на входе размещают еще один транзистор VTI (рис. 11.6б), назначение которого будет пояснено при анализе двухвходовых схем.

Рис. 11.6. Инвертор: простейшая схема (а) и упрощенная схема ТТЛ (б)

Базовые схемы ТТЛ. Основные схемы ТТЛ - И - НЕ и ИЛИ - НЕ. Результат их действия можно рассматривать как последовательное действие соответственно схем И с НЕ и ИЛИ с НЕ или как реализацию устройств, описываемых булевыми функциями двух переменных f₁₄(A, В) и f₈(В,А), каждая из которых, как уже указывалось, является функционально полным набором.

Переходя к реальным схемам ТТЛ, отметим основные особенности, отличающие их от схем, поясняющих принцип действия (см. рис. 11.1): высокое быстродействие (время переключения от 70 80 до 3 6 нс); возможность подключения к выходу нескольких других схем подобного типа («коэффициент разветвления» от 4 до 16).

Рис. 11.7. Двухвходовая (а) и четырехвходовая (б) схемы И-НЕ ТТЛ

Наиболее распространенная ТТЛ-схема И - НЕ, нередко называемая двухвходовым вентилем, показана на рис. 11.7а. Логическая операция И (конъюнкция) реализуется в ней на двухэмиттерном транзисторе. Получение многоэмиттерного транзистора - ординарная процедура в технологии производства интегральных схем, а с точки зрения принципа действия такой транзистор можно представить как два транзистора, базы и коллекторы которых попарно объединены.

Если хотя бы на один из входов (В или А) подан логический нуль, т. е. хотя бы один из этих электродов находится под низким (0 - 0,4 В) потенциалом, то транзистор VT1 насыщен и на его коллекторе низкий потенциал. Поэтому транзистор VT2 закрыт. В базу транзистора VT3 через R2 течет ток, и VT3 открыт. База транзистора VT4 благодаря сопротивлению R3 находится под потенциалом общего электрода, поэтому VT4 закрыт. В нагрузку R_н (которой является вход схем такого же типа) через R4, VT3 и VD от шины питания +5 В течет ток, т. е. на выходе Y - высокий потенциал или логическая единица.

При логической единице на В и Л коллекторный переход транзистора VT1 смещен в прямом направлении и в базу транзистора VT2 течет открывающий его ток; через открытый транзистор VT2 и сопротивление R2 база транзистора VT4 подключается к источнику питания и VT4 входит в состояние насыщения. Из-за большого падения напряжения на R2 потенциал VT3 низкий. Надежному запиранию транзистора VT3 способствует диод VD, повышающий в этом состоянии потенциал эмиттера. Открытый VT4 и закрытый VT3 обусловливают на выходе логический нуль.

В базовой схеме И - НЕ можно увеличить число входов путем создания в транзисторе VT1 дополнительных эмиттеров (при необходимости их может быть четыре и даже восемь). Очевидно, что, если хотя бы на одном входе (эмиттере) логический нуль, на выходе - логическая единица, В качестве примера на рис. 11.7б показана четырехвходовая схема И - НЕ, выходной каскад которой обеспечивает более высокий, чем в предыдущем случае, коэффициент размножения по выходу.

Базовая схема ЭСЛ (эмиттерно-связанной логики) приведена на рис. 11.8. Схемы ЭСЛ позволяют получить в настоящее время наибольшее быстродействие; задержка сигнала в отдельной из них составляет около 1 не. Это достигнуто благодаря тому, что транзисторы в схемах ЭСЛ никогда не находятся в состоянии насыщения, так как в них происходит переключение строго определенного тока при помощи малых (порядка долей вольта) ^перепадов управляющего напряжения. В схеме на |рис. 9.8, а ток транзистора VT3, определяемый сопротивлением R2 и потенциалом на базе транзистора VT3, »ада-ваемым температурно-компенсированной цепью из делителя R5, VDl, VD2, R6 и эмиттерного повторителя на VT4 и R4, переключается в транзисторы VT\ или VT2 (или в оба). Основной выходной сигнал формируется на объе-.диненном коллекторе VTX и VT2 и через эмиттерный повторитель поступает на выход.

Рис. 11.8. Базовая схема ЭСЛ (а); разность напряжений соответствующих логической единице и логическому нулю U₁-U₀=0,7 В (б)

Интегральная инжекционная логика (И²Л) не имеет аналогов в дискретном исполнении и получила свое название в связи с тем, что в применяемых в ней генераторах тока дырки инжектируются, т. е. проникают под действием электрического поля через эмиттерный р-n-p-переход транзистора (от лат. injektio - вбрасывание). Эмиттер в таком транзисторе называют инжектором.

Схемы И2Л можно рассматривать как дальнейшее развитие элементов транзисторной логики с непосредственными связями (ТЛНС). Элемент ИЛИ - НЕ ТЛНС, собранный на транзисторах VT1 и VT2, показан на рис. 11.9а. Резистор R играет в нем роль генератора тока. Его величиной определяется ток в базу VT3, если VT1 и VT2 закрыты, или в коллекторы насыщенного VTI, VT2 (или обоих вместе).

Элементарная ячейка И²Л получается при замене резистора генератором тока (рис. 11.9б), причем в схемах И²Л база каждого транзистора имеет свой индивидуальный генератор тока. Эти генераторы иногда вообще не рисуют на схемах или же рисуют присоединенными не к шине питания, а к «земляной» шине (рис. 11.9в). Электрическая схема И²Л-ячейки (рис. 11.9г) весьма компактным образом реализуется в интегральной технологии. Некоторое представление о ее структуре можно получить из сравнения рис. 11.9г и 11.9д.

Рис. 11.9. Интегральная инжекционная логика (И²Л): элемент ИЛИ – НЕ ТЛНС (а); тоже с генератором тока I (б); ячейка И²Л (в); электрическая схема инвертора (г) и топология его ячейки (д). Соответствующие друг другу выводы на схемах г и д обозначены одинаковыми цифрами; резистор R – внешний.

Для пояснения принципа действия схем И²Л еще раз обратимся к рис. 11.4б вспомнив что напряжение на коллекторе насыщенного транзистора (0,2 В) существенно ниже, чем напряжение на его же базе (0,7 В). Поэтому ток генератора тока I либо полностью протекает в базу своего транзистора, открывая его до состояния насыщения, либо, наоборот, вообще не попадает в базу, а полностью протекает через один или несколько присоединенных к данной базе коллекторов других транзисторов, находящихся в насыщении.

Схемы И²Л обладают многими достоинствами. Они занимают малую площадь на полупроводниковой пластине, потребляют небольшую энергию, нечувствительны к изменениям напряжения питания. Как правило, большие И²Л-схемы, например микропроцессоры, непосредственно в интегральном оформлении обрамлены элементами ТТЛ для сопряжения их с другими устройствами.

МДП - и КМДП - схемы. Интегральные микросхемы на МДП-тран-зисторах стали выпускаться лишь с 1964 г., хотя принцип действия полевого транзистора был известен еще до появления биполярных транзисторов.

Сначала в цифровых схемах применяли преимущественно МДП-транзисторы с индуцированным каналом р-типа. Напомним, что в этом случае транзистор работает в режиме обогащения и не проводит ток без отрицательного смещения на затворе, превышающего (по модулю) пороговое напряжение.

В дальнейшем были преодолены технологические трудности получения МДП-транзисторов с каналом n-типа, созданы на одной полупроводниковой пластине транзисторы обоих типов. Наиболее совершенными в плане экономичности, быстродействия и занимаемой площади стали так называемые комплементарные (КМДП) схемы, в которых используются р- и n-канальные полевые транзисторы.

Рис. 11.9. Схема с активной нагрузкой: инвертор (а); ИЛИ-НЕ (б); И-НЕ (в)

Рис. 11.10. Инверторы на МДП-транзисторах: схема с линейной нагрузкой (а); ее амплитудная характеристика U_вых=f(U_вх) при R=20 кОм (1), R=40кОм (2) и R=120 кОм (3) (б); схема с МДП-транзистором в качестве пассивной нагрузки (в)

Переходные характеристики инвертора (рис. 11.10б) показывают, что при плавном изменении напряжения на входе схемы на рис. 11.10, а более или менее резкий переход от логической единицы к нулю (или наоборот) имеет место при величине нагрузочного резистора не менее 20 кОм. Резисторы такого номинала, полученные методом диффузионной технологии, занимают на полупроводниковой пластине площадь почти на порядок большую, чем сама МДП-структура. По этой причине, а также из-за того, что паразитная емкость резистор - подложка осложняет получение схем с высоким быстродействием, в цифровых микросхемах на полевых транзисторах резисторы вообще не применяются. Их заменяют «нагрузочными» МДП-структурами, которые имеют такую же конфигурацию, как и активные МДП-транзисторы.

Нагрузочный МДП-транзистор, используемый в качестве резистора, номинальное значение которого определяется геометрическими размерами канала транзистора и постоянным потенциалом на затворе, представляет собой пассивную нагрузку, поэтому схемы на его основе, например инвертор на рис. 11.10в, называют схемами с пассивной нагрузкой.

Ряд преимуществ, в частности лучшую форму передаточной характеристики и отсутствие потребляемой от источника питания мощности в статическом режиме, имеют КМДП-схемы, в которых нагрузочный транзистор выполняет функции активного элемента. Принцип действия схем такого рода (рис. 11.11) не требует особых пояснений. Заметим лишь, что увеличение числа входов схем ИЛИ - НЕ (рис. 11.11б), И - НЕ (рис. 11.11в) и некоторых других достигается простыми дополнениями исходной структуры парами транзисторов с р- и n-каналами.