Типи технологій логічних мікросхем

Розподіл логічних ІМС за схемотехнічними ознаками

Для реалізації ІМС з різною швидкодією застосовують декілька схемотехнічних принципів, що відрізняються один від одного. ІМС з найвищою швидкодією побудовані на основі елементів емітерно-зв'язаної логіки (ЕЗЛ). Такі ІМС можуть перемикатися з високою частотою, яка в деяких мікросхемах досягає 2000МГц, але при цьому споживають значну потужність та володіють низькою завадостійкістю. Враховуючи ці особливості мікросхем ЕЗЛ, їх практичне застосування обмежується тільки пристроями з дуже великою швидкодією. Для мікроелектронних пристроїв з нижчою швидкодією прийнятливіші ІМС, що побудовані на основі елементів транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) та ТТЛ з діодами Шотки (ТТЛШ). Ці ІМС за швидкодією перекривають діапазон 150МГц, характеризуються меншим енергоспоживанням та вищою завадостійкістю, що зобумовлює їх дуже широке застосування. Для пристроїв з низькою частотою пермикання застосовують ІМС транзисторної логіки з безпосередніми зв'язками на компліментарних МДН-транзисторах (КМОН). Компліментарною називають пару МДН транзисторів з каналами різного типу провідності і однаковими характеристиками. Такі ІМС можуть перемикатись з частотою до 1МГц і відрізняються найнижчим рівнем енергоспоживання.

Таким чином, за схемотехнічною ознакою серії ІМС розділяють на наступні групи: ЕЗЛ, ТТЛ та ТТЛШ, КМОН. Для повнішої уяви про особливості ІМС вказаних типів логіки коротко розглянемо параметри їх базових елементів та порівняємо їх.

Елемент ЕЗЛ (рис.3) складається з перемикачів струму на транзисторах VT1-VT3 та двох емітерних повторювачів на транзисторах VT4, VT5. Кількість входів логічного елемента визначає кількість паралельно ввімкнених транзисторів в лівому плечі перемикача струму. Елемент має два входи X1, X2. До бази транзистора VT3 постійно прикладена опорна напруга від'ємної полярності, значення якої знаходиться між напругами низького та високого рівнів. Цю напругу формує каскад, який вмонтований в логічний елемент (на рисунку не показано). Емітери всіх транзисторів об'єднані через високоомний резистор R1 (звідси й назва логіки) і під'єднані до джерела напруги живлення від'ємної полярності. Напруга низького рівня (-1.6В) відповідає рівню логічного нуля, а напруга високого рівня -0.98В) відповідає рівню логічної одиниці.

Рисунок 3 Базовий логічний елемент ЕЗЛ

Емітерні повторювачі потрібні для узгодження рівнів вхідних та вихідних сигналів, а також для зниження вихідного опору з метою підвищення швидкодії та навантажувальної здатності логічного елемента. Деякі елементи ЕЗЛ не мають резисторів на виходах. Такі виходи називають "з відкритим емітером", їх можна паралельно вмикати на спільне вихідне навантаження або під'єднювати до лінії передачі. У всіх цих випадках передбачається робота вихідних кіл елемента від додаткового джерела живлення -2В.

При надходженні хоча б на один вхід напруги високого рівня відповідний транзистор VT1 або VT2 відкривається і через нього протікає струм, який на резисторі R3 формує напругу від'ємної полярності відносно корпуса. Ця напруга передається емітерним повторювачем на вихід Y1. При цьому транзистор VT3 закритий, тому на виході Y2 буде напруга високого рівня. При наявності на обидвох входах напруг низького рівня відповідні транзистори закриті, а транзистор VT3 - відкритий і стан виходів встановлюється на протилежний, аніж у попередньому випадку.

Елемент ЕЗЛ має парафазний вихід. На виході Y1 виконується логічна операція АБО-НЕ, а на виході Y2 - операція АБО. Такі елементи відрізняються підвищеною швидкодією за рахунок використання в них принципу перемикання струму та через відсутність насичення транзисторів. Недоліками елементів ЕЗЛ є їх значне енергоспоживання, низька завадостійкість та чутливість до короткочасних завад. На базі елементів ЕЗЛ побудовані ІМС серій 100, К193, К500, К570, К1500 та ін. Найрозвиненіший функціональний склад мають серії 100 та К500. Серія К1500 нового покоління характеризується вищою швидкодією та меншим енергоспоживанням.

Елементи ТТЛ та ТТЛШ будуються на основі єдиного схемотехнічного принципу (рис.4). Відмінність елементу ТТЛ від ТТЛШ полягає в тому, що в транзисторах другого присутні діоди Шотки, які ввімкнені в транзистор між базою та колектором, обмежуючи насичення транзистора, що забезпечує вищу швидкодію та менше енергоспоживання.

Рисунок 4 Базовий логічний елемент ТТЛШ (ТТЛ)

В схемі логічного елемента на вході знаходиться багатоемітерний транзистор (до 12-ти емітерів) VT1, який виконує логічну операцію І, а на виході - складний інвертор на транзисторах VT2-VT5. Таким чином елемент виконує логічну операцію І-НЕ. Всі мікросхеми ТТЛ та ТТЛШ мають напругу живлення 5В. Напруга низького рівня (логічний нуль) для всіх мікросхем ТТЛ складає 0.4В, напруга високого рівня (логічна одиниця) - 2.4В (див.табл.1). У мікросхем ТТЛШ вказані напруги мають близькі значення.

При надходженні на входи X1 та X2 сигналів високого рівня емітерні переходи транзистора VT1 закриваються. Струм через резистор R1 та відкритий колекторний перехід VT1 поступає на базу VT2 і закриває його. Падінням напруги на резисторі R3 відкривається транзистор VT3. Транзистори VT4, VT5 закриваються. В результаті - на виході елемента встановлюється напруга низького рівня. При подачі на один із входів сигналу низького рівня відкривається відповідний емітерний перехід транзистора VT1 і через цей перехід потече струм . Транзистори VT2, VT3 закриються, а транзистори VT4, VT5 - відкриються. На виході елемента встановлюється напруга високого рівня. Діоди VD1, VD2 введені в структуру елемента для захисту його входів від скачків напруги від'ємної полярності.

Серії мікросхем ТТЛ та ТТЛШ перекривають широкий діапазон за швидкодією та енергоспоживанням. Це забезпечується комплексним випуском серій, які розраховані на різну швидкодію, але сумісних за всіма характеристиками, часто навіть і розведенням виводів у корпусі. Так, комплекс серій мікросхем ТТЛ включає серії 130, К131 (частота переключення ІМС до 30МГц), серії 133, К155 (до 10МГц), серії К134, К158 (до 3МГц). На зміну мікросхемам ТТЛ прийшли мікросхеми ТТЛШ серій 530, К531 (до 80МГц), 533, К555 (до 10МГц), К1531 (до 150МГц), К1533 (до 30МГц). Останні дві серії відрізняються значно меншим енергоспоживанням.

Елементи на КМОН-транзисторах. Ці мікросхеми виділяються серед інших найнижчим споживанням потужності від джерела живлення. Основу таких мікросхем складає ключовий каскад (рис.5). Якщо на обидва входи логічного елемента подати сигнал низького рівня (лог.0), то транзистори VT1, VT2 (з каналом p-типу) будуть в закритому стані, а транзистори VT3, VT4 (з каналом n-типу) - у відкритому. На виході елементу встановиться напруга високого рівня (лог.1). Якщо хоча б на одному з входів елемента, наприклад X1, буде присутня напруга високого рівня, то транзистор VT1 буде у відкритому стані, а VT3 - у закритому. Тому на виході встановиться напруга низького рівня.

Рисунок 5 Базовий логічний елемент КМОН.

Елементи на КМОН-ключах характеризуються підвищеною завадостійкістю: допустима напруга статичної завади рівна половині напруги живлення. Однак такі ІМС вирізняються підвищеною чутливістю до статичної напруги, через високий вхідний опір. Для захисту від впливу статичної напруги в структуру ІМС вводяться діодно-резистивні кола. Основна область застосування мікросхем КМОН типу - це цифрові пристрої невисокої швидкодії з обмеженим енергоресурсом. Швидкодія КМОН мікросхем характеризується частотою перемикання до 3МГц.

Найповніший функціональний склад мають серії К561, 564, К176. Перші дві серії близькі за складом та параметрами (див. табл.1). Мікросхеми вказаних серій працездатні при напругах живлення від 3 до 15В. Ця особливість вказаних ІМС дозволяє суттєво знизити вимоги до джерел живлення по відношенню до їх потужності та якості фільтрації і за рахунок цього отримати значний виграш в масі та розмірах цифрових пристроїв. Деякі серії, наприклад, 164, К176, вимагають напруги живлення 9В, але вони також спроможні праювати при зміні напруги живлення в значних межах.

Порівняльні характеристики деяких параметрів вказаних типів та серій ІМС наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 Порівняльні характеристики ІМС різних серій

Тип логіки	Серія ІМС	, В	, В	, В	, В	, нс	, мВт
ЕЗЛ	К1500	-4.5	-1.03	-1.61	0.1	1.4
К500	-5.2	-0.98	-1.63	0.1	2.9
ТТЛШ	К1531		2.7	0.5	0.5	3.8	2.1
К531
К1533		2.4
К555		7.5
КМОН	К176		7.7	0.5	0.9		10-3
К561	5*	4.99	0.01	2.5		10^-5**
К564	5*	4.99	0.01	2.5		10^-5**
ТТЛ	К131		2.4	0.4	0.4
К155
К134
* Зберігають працездатність при зміні напруги живлення від 3 до 15В. ** Не більше 0.1мВт на частоті 1МГц.

Одним з перспективних напрямків розвитку цифрових пристроїв є використання нових схемотехнічних та технологічних принципів формування функціональних структур на базі інтегрально-інжекційної логіки (ІІЛ, або І2Л). Мікросхеми ІІЛ характеризуються низьким енергоспоживанням (менше 1мкВт на логічний елемент), вимагають низьковольтного джерела живлення, мають малий логічний перепад та низьку завадостійкість. Завдяки невеликій потужності споживання та відсутності додаткових резисторів і інших компонентів, в цих схемах вдається реалізувати високу густину розміщення приладів у кристалі, тобто високий рівень інтеграції. Разом з цим, присутні в елементів ІІЛ особливості не дозволяють їх використовувати у звичайному варіанті конструктивного виконання логічних ІМС, оскільки необхідні спеціальні міри щодо їх узгодження з ІМС інших класів та щодо захисту їх від завад. Тому основною областю застосування технології ІІЛ є ІМС мікропроцесорів, ІМС пам'яті та інших складних функціональних вузлів. Такі ІМС, в основному, складаються з схем ІІЛ, але по периферії кристалу містять елементи ТТЛ, або ТТЛШ. Тому такі ІМС, за зовнішніми електричними характеристиками не відрізняютья від ІМС ТТЛ або ТТЛШ і можуть знаходити сумісне використання.

В деякі серії входять ІМС на МДН-транзисторах з каналами одного типу провідності: або електронної, або диркової. Ряд серій містить в основі елементи діодно-транзисторної логіки (ДТЛ): К511, К514, К523. Мікросхеми цих серій мають підвищену завадостійкість та відповідну область застосування, наприклад, в електронному обладнанні станків з числовим програмним управлінням та ін.

Крім вказаних, ще можливе застосування мікросхем резистивно-транзисторної логіки (РТЛ). Ці мікросхеми є найпершими розробками. Вони володіють високою завадостійкістю та прийнятною розсіюваною потужністю. Характеризуються відносно низькою швидкодією і на сучасному етапі розвитку мікросхемотехніки практично не знаходять застосування через наявність великої кількості резисторів і конденсаторів, які займають великі площі в кристалі. Ці ІМС, в основному, виготовлялись за гібридною технологією. Серії РТЛ: К217, К218 та інші.

В таблиці 2 наведено результати розподілу за рангами основних параметрів різноманітних логічних елементів; при цьому ранг 1 відповідає найкращому значенню параметру, а ранг 10 - найгіршому.

 

Параметри логічних ІМС

Важливими характеристиками логічних мікросхем є вхідні та передаточні характеристики. Вхідні характеристики - це графічна залежність величини вхідного струму I_вх від величини вхідної напруги U_вх, тобто I_вх = f (U_вх). За видом вхідних характеристик логічні мікросхеми можна розділити на дві групи. До першої відносяться схеми, в яких при відсутності вхідних напруг вхідний струм відсутній і з'являється, коли рівень вхідної напруги досягне певної величини (рис.1,а крива 1). Для мікросхем другої групи, навпаки, - при відсутності вхідної напруги струм вхідного кола має максимальне значення, а при збільшенні вхідної напруги - струм зменшується (рис.1,а крива 2). Передаточні характеристики логічної ІМС визначають залежність вихідної напруги схеми від напруги на одному з вхідних виводів при визначених постійних напругах на інших входах, тобто U_вих = j (U_вх).

Приблизний вигляд передаточних характеристик наведено на рис.1,б. Крива 1 на рис.1,б показує, що логічна мікросхема працює без інверсії сигалу: при малій вхідній напрузі вихідна напруга близька до нуля, при збільшенні вхідної напруги рівень вихідної також збільшується. Крива 2 на цьому ж рисунку показує, що логічна мікросхема працює з інверсією вихідного сигналу, коли малій вхідній напрузі відповідає високий роівень вихідної, а при збільшенні вхідної напруги, вихідна - зменшується. Чим різкішим є перехід між максимальним та мінімальним рівнями вихідної напруги, тим чіткіше працює схема і тим вища її якість.

а)

б)

Рисунок 1 Приблизний вигляд вхідних (а) та передаточних (б)
характеристик логічних мікросхем.

Від функціональної складності мікросхеми залежить і система її електричних параметрів, які найчастіше розділяють на статичні та динамічні.

Статичні параметри ІМС: напруга джерела живлення ; вхідна , та вихідна , напруги відповідно низького (лог.0) та високого (лог.1) рівнів (рис.2); вхідний , та вихідний , струми при напругах відповідно низького та високого рівнів; коефіцієнт розгалуження по виходу K_р (або інакше навантажувальна спроміжність), який визначає кількість мікросхем-навантажень даної серії, що можна під'єднати до виходу даної мікросхеми; допустима напруга статичної завади , яка характеризує статичну завадостійкість мікросхеми та середня потужність споживання: .

Динамічні параметри ІМС характеризують властивості ІМС в режимі перемикання. До них відносяться (див. рис.2): час затримки розповсюдження сигналу при вмиканні та вимиканні ; середній час розповсюдження сигналу через ІМС від її входів до виходів (визначається як півсума затримок при вмиканні та вимиканні); динамічна завадостійкість; динамічна потужність споживання.

Потужність, яка споживається мікросхемою в режимі перемикання, значно вища, аніж в статичному режимі. Для деяких типів ІМС таке первищення може досягати двох - трьох порядків. Це пояснюється наявністю в мікросхемах ємнісних елементів, роботою біполярних транзисторів в режимі насичення, іншими причинами. Вказану обставину необхідно враховувати при розрахунках енергоємності джерел живлення мікроелектронних пристроїв.

 

Динамічна завадостійкість кількісно визначається амплітудою короткочасного імпульсу завади на вході ІМС, при якій рівень сигналу на виході не виходить за встановлені межі. Причиною виникнення імпульсів завад можуть бути ємнісні та індуктивні зв'язки в міжз'єднаннях, джерела потужних енергетичних випромінювань (реле, тиристори та ін.), імпульси струму та напруги в колах живлення. Існує тісний взаємозв'язок між часовими параметрами та завадостійкістю: чим менша середня затримка сигналу, тобто, чим вища швидкодія ІМС, тим нижча її динамічна завадостійкість. Про це необхідно пам'ятати при виборі ІМС: неоправдане завищення вимог до швидкодії обов'язково приведе до зниження надійності пристроїв через збої під впливом імпульсів завад. З швидкодією безпосередньо пов'язаний ще один важливий показник - споживана потужність: чим вище швидкість перемикання, тим більша потужність споживається ІМС від джерела живлення. В свою чергу, споживана потужність визначає рівень розсіюваної потужності, а через цей показник - густину розміщення елементів в напівпровідниковому кристалі, тобто рівень інтеграції: чим вищий рівень споживаної потужності, тим нижчий рівень інтеграції. Тому практично доцільно мати серії ІМС з різною швидкодією та енергоспоживанням.

Крім статичних та динамічних параметрів, що характеризують електричні режими роботи логічної ІМС, використовуються і експлуатаційні параметри, до яких відносяться: діапазон робочих температур; допустимі механічні навантаження (вібрації, удари, лінійні прискорення); межі допустимих змін атмосферного тиску, вологості та ін.