Структура и принципы действия логических элементов интегральных микросхем

 

В зависимости от компонентов логического элемента и способа их соединения различают следующие типы логик:

 - диодно-транзисторная логика (ДТЛ) – одна из первых исторически, сейчас практически не применяется;

- транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

- эмитерно-связанная логика (ЭСЛ);

- инжекционно-интегральная логика (И²Л, ИИЛ);

- на МДП-транзисторах (КМОП) и др.

ТТЛ-элементы используют во входной цепи биполярный многоэмиттерный транзистор (классическая схема). Это наиболее отработанный и широко используемый тип логики (рис. 3.2). Если X ₁ =

= X ₂ = 1 (U _вх ¹), то возникает коллекторный ток (инжекция эмиттера) многоэмиттерного транзистора (МЭТ), открывается транзистор VT 2. На резисторе R 4 создается «+» напряжения, которое открывает до насыщения транзистор VT 4. На входе логического элемента формируется напряжение низкого уровня (лог. 0), транзистор VT 3  закрыт.

Если хотя бы на один вход подать напряжение U _вх ⁰, то соответственно эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Эмиттерный ток протекает через резистор R 1, следовательно, ток I_{Kvt 1} уменьшается, и транзистор VT 2 закрывается. К базе транзистора VT 4 прикладывается ноль вольт, следовательно, он закрывается, к базе транзистора VT 3 прикладывается потенциал φ > 0.6 В и он открывается. Возникает ток через резистор R 3, транзистор VT 3, диод VD 3, нагрузку, формирующий напряжение U ¹ _вых.

Рассмотренный логический элемент имеет двухтактный выходной каскад. Существуют логические элементы с так называемым «открытым коллектором» их применяют для создания, например, элемента «монтажное ИЛИ», а также для «бесконтактных» схемных решений, высоковольтных нагрузок (десятки вольт), например микросхема К155ЛП9 – до 30 В.

Есть вариант – ТТЛШ-логики (с диодами Шоттки), применение которого примерно в пять раз ускоряет переключение транзисторов, следовательно, возрастает быстродействие. По принципу работы ТТЛШ-элементы в основном подобны обычным ТТЛ-элементам, но отличаются от них, помимо применения транзисторов с барьером Шоттки, более сложной схемой инвертора, что позволяет увеличить его нагрузочную способность и снизить влияние технологического разброса параметров транзисторов на эксплуатационные характеристики ТТЛШ-элементов при их массовом выпуске.

Однако существенному повышению экономичности всех ТТЛ-схем препятствует то, что по принципу работы они в статических состояниях потребляют входные токи I ⁰_вх и I ¹ _вх.

КМОП-логика. Применение полевых транзисторов, обладающих высоким входным сопротивлением, позволило разработать весьма экономичные логические элементы, потребляющие энергию источников питания только в режиме переключения и практически не потребляющие ее в статических состояниях (0 и 1). Из всех возможных типов полевых транзисторов в современных схемах ИЛЭ большее распространение получили МОП-транзисторы с индуцированным каналом, а из многочисленных серий цифровых ИС–КМОП-микросхемы. Сокращение КМОП означает применение в схемах инверторов взаимодополняющих (комплементарных) пар транзисторов со структурой металл – окисел – полупроводник, но с каналами различных типов проводимости. Более простая по сравнению с биполярными транзисторами технология получения МОП-транзисторов с индуцированным каналом и КМОП-схемотехника позволила создать весьма экономичные микросхемы высокой степени интеграции.

КМОП-инвертор (рис. 3.3) содержит комплементарную пару МОП-транзисторов VT ₁ и VT ₂, индуцированные каналы которых (соответственно, р - и п -типов) включены последовательно.

При низком (нулевом) уровне напряжения на затворах транзисторов VT ₁ и VT ₂ потенциал затвора VT ₁ окажется ниже потенциала его истока и подложки типа п, в результате чего в ее поверхностном слое вблизи затвора индуцируется канал с проводимостью типа р. Транзистор VT ₁ открывается, п -канальный транзистор VT ₂ закрыт, и на выходе инвертора появляется высокий уровень напряжения.

С другой стороны, при высоком уровне напряжения на затворах транзисторов VT ₁ и VT ₂ потенциал затвора VT ₂ будет выше потенциала истока и подложки типа р, из-за чего в ее поверхностном слое вблизи затвора индуцируется канал с проводимостью типа п. Транзистор VT ₂ открывается, р -канальный транзистор VT ₁ , закрыт, и на выходе появляется низкий уровень напряжения.

Поскольку в цепях затворов полевых транзисторов токи практически отсутствуют, в статических состояниях КМОП-микросхемы не потребляют энергии от источника питания. Кратковременные импульсы тока возникают только в моменты переключения инвертора из одного состояния в другое.

Недостаток микросхем на полевых транзисторах – несколько меньшее быстродействие по сравнению с ТТЛ- и ТТЛШ-элементами. Помимо рассмотренных существуют логические элементы других типов, например, ЭСЛ-эле-менты (эмиттерно-связанная логика), обладающие высоким быстродействием. Однако увеличение быстродействия в них достигается ценой значительно большего потребления энергии источника питания.

В настоящее время выпускается большое количество ИЛЭ в составе микросхем различных серий. Выбор подходящих ИЛЭ при построении более сложных ЦЭУ производится по некоторым их параметрам. К числу этих параметров помимо напряжения питания и средней мощности потребления Р _ср (равной полусумме мощностей потребления в состоянии 1 и 0) относятся: вид реализуемых булевых функций или некоторой их комбинации, коэффициент разветвления по выходу, характеризующий нагрузочную способность ИЛЭ, время задержки распространения сигнала, определяющее быстродействие элемента, и др.

Перед обозначением типа логического элемента обычно цифрой указывают количество его входов. Если в составе ИЛЭ, реализующего некоторую комбинацию булевых функций, имеются однотипные логические элементы, их количество указывают цифрой слева, за которой следует символ Х. Наконец, в одном корпусе ИС может быть выполнено несколько однотипных ИЛЭ. При описании состава такой ИС обозначение ИЛЭ помещают в круглые скобки, а перед ними цифрой указывают количество элементов в одном корпусе. Например, описание 2 (2·2И – 2ИЛИ – НЕ) соответствует ИС, содержащей в одном корпусе два однотипных комбинированных логических элемента. Каждый из них представляет собой два двухвходовых элемента И, выходы которых подключены к двухвходовому элементу ИЛИ – НЕ.

В последнее время широкое распространение получили логические элементы, в которых при наличии специального управляющего импульса возможно отключить их выходы от нагрузки. Такое управляемое отключение выхода ИЛЭ называют переходом в третье состояние. Обычно в схемах ИЛЭ с третьем состоянием применяют инверторы, но помимо обычных двух состояний: 1 и 0, когда один из выходных транзисторов заперт, в них предусмотрено третье состояние, при котором одновременно закрыты все транзисторы выходного каскада.

Для характеристики общего уровня достижений в схемотехнике и технологии производства различных типов ИС применяют обобщенный параметр, называемый работой переключения А (работа по переносу одного бита информации со входа на выход ИЛЭ). Работа переключения А равна произведению средней мощности потребления Р _ср на среднюю задержку распространения t ₃ (A= P _ср t ₃). Если Р _ср взять в милливатах (мВт), а t ₃ – в наносекундах (нс), работа переключения А будет выражаться в пикоджоулях (пДж).

 Наименьшая работа переключения в наиболее совершенной из серий ИС на биполярных транзисторах (ТТЛШ серия 1533) в основном достигнута путем существенного повышения их быстродействия. Более низкая работа переключения ИЛЭ на полевых транзисторах (при типичных значениях задержки КМОП-микросхем порядка нескольких десятков наносекунд) объясняется малым значением Р _ср. Дальнейшего снижения значений А для современных лучших ИС этого типа удалось достигнуть лишь после создания МОП-транзисторов с исключительно малой (до 1,2 мкм) длиной канала.