Интегральная инжекционная логика

Базовый ЛЭ интегральной инжекционной логики (И²Л) является результатом модификации базового элемента транзисторной логики с непосредственной связью НСТЛ первого поколения. Схема элемента НСТЛ-типа приведена на рис. 3.36. При переключении ЛЭ НСТЛ, выполняющего функцию элемента ИЛИ-НЕ, ток, протекающий через резистор , изменяется очень мало. Поэтому нормальная работа схемы не нарушается, если резисторы в схеме (рис. 3.36.) заменить источниками постоянного тока. В качестве источников тока можно использовать p-n-p транзисторы , , , работающие в активном режиме и включенные по схеме с общей базой. Такая преобразованная НСТЛ схема приведена на рис. 3.37.

В схеме (рис. 3.37.) транзистор (, ,или ), может работать в активном режиме, если напряжение на коллекторе меньше, чем напряжение на его эмиттере, т.е. . Тогда в цепи коллектора протекает постоянный ток , обусловленный инжекцией дырок через эмиттерный переход транзистора , называемого инжектором.

При построении схемы И²Л вместо отдельных транзисторов , , и используют многоколлекторный транзистор (рис.3.38.). В этом случае ток эмиттера распределяется равномерно между коллекторами . Если q - число коллекторов, то коэффициент передачи по каждому коллектору будет в q раз меньше коэффициента передачи аналогичного одноколлекторного транзистора. Общее число коллекторов инжекционного транзистора схемы может достигать 10 и более. Для создания инжекционного тока достаточно сместить эмиттерный переход (инжектор) в прямом направлении, подав от источника питания +Е смещение через токозадающий резистор R на эмиттер транзистора .

Источником сигнала и нагрузкой И²Л - схемы являются аналогичные схемы, связи с которыми показаны на рис.3.38 пунктиром. Если транзисторы предыдущей И²Л - схемы, в том числе и транзистор , закрыты (на входе высокий уровень напряжения ), то транзистор основной схемы открыт и работает в режиме насыщения. Действительно, в этом случае через базу протекает ток от нижнего коллектора инжекционного транзистора, а через коллектор - от верхнего коллектора (нагрузочный транзистор закрыт). Таким образом, . Очевидно, что для обеспечения режима насыщения необходимо выполнить условие , т.е. . Такое условие легко выполнить даже в микроамперном диапазоне рабочих токов транзисторов. Уменьшение рабочих токов играет важную роль в снижении потребляемой мощности схемы.

Источником сигнала и нагрузкой И²Л - схемы являются аналогичные схемы, связи с которыми показаны на рис.3.38 пунктиром. Если транзисторы предыдущей И²Л - схемы, в том числе и транзистор , закрыты (на входе высокий уровень напряжения ), то транзистор основной схемы открыт и работает в режиме насыщения. Действительно, в этом случае через базу протекает ток от нижнего коллектора инжекционного транзистора, а через коллектор - от верхнего коллектора (нагрузочный транзистор закрыт). Таким образом, . Очевидно, что для обеспечения режима насыщения необходимо выполнить условие , т.е. . Такое условие легко выполнить даже в микроамперном диапазоне рабочих токов транзисторов. Уменьшение рабочих токов играет важную роль в снижении потребляемой мощности схемы.

Напряжение определяется падением напряжения на открытом эмиттерном переходе транзистора. Если напряжение на входе основной схемы И²Л имеет низкий уровень (хотя бы один из транзисторов предыдущей схемы И²Л открыт и насыщен), то транзистор закрыт. Низкий уровень определяется падением напряжения между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора предыдущей схемы и составляет обычно (0,1 – 0,2)В.

Нагрузочная способность И²Л - схемы определяется количеством коллекторов многоколлекторных n-p-n-транзисторов, обеспечивающих развязку выходов друг от друга. Подключение каждой нагрузочной схемы увеличивает ток коллектора транзистора (например ) на , что может привести к выходу его из режима насыщения. При подключении n нагрузочных схем к коллектору условие насыщения транзистора можно записать как или . Повышение в современных И²Л -схемах осуществляется за счет усовершенствования технологии, так как при увеличении рабочего тока транзистора для обеспечения высоких значений теряется одно из главных преимуществ И²Л - схем – малое потребление мощности. Быстродействие И²Л -схем определяется в основном перезарядом паразитных емкостей, шунтирующих выходные цепи транзисторов, и временем рассасывания неосновных носителей в базе насыщенного транзистора, которое для И²Л - схем составляет. Быстродействие схем растет с увеличением рабочего тока инвертора И²Л. Типовые значения рабочего тока И²Л -схем лежат в пределах () А при .

Логические элементы И²Л имеют следующие достоинства:

Обеспечивают высокую степень интеграции; при изготовлении схем И²Л используются те же технологические процессы, что и при производстве ИС на биполярных транзисторах, но число технологических операций при этом меньше;

Используют пониженное напряжение питания порядка ;

Обеспечивают «обмен» в широких пределах потребляемой мощности на быстродействие (можно изменять на несколько порядков потребляемую мощность, что соответственно приводит к изменению быстродействия);

Хорошо согласуются с элементами ТТЛ.

На рис. 3.38 показана схема перехода от ЛЭ И²Л к элементу ТТЛ. Для этого достаточно в один из коллекторов многоколлекторного транзистора (например ) включить внешний резистор, подсоединив его к источнику +5В.

Малый логический перепад сигнала обуславливает и малую помехоустойчивость схем И²Л. Величина допустимой помехи и составляет .