Элементы эмиттерно – связанной логики (ЭСЛ).

 

Элементы эмиттерно – связанной логики (ЭСЛ).

ЭСЛ – элементы отличаются высоким быстродействием (t₃≤1 нс) и поэтому они являются в настоящее время основной элементной базой высокопроизводительных ЭВМ.

Основой ЭСЛ – элементов является переключателем тока (токовые ключи).

 

Принцип действия переключателя тока.

 

U⁰,U¹<0, U⁰<U¹, т.о. |U⁰|>|U¹|.

Пусть хотя бы на один вход подан высокий потенциал U_вх>-U_оп, тогда соотв. Т1 открыт, вычислим напряжение БЭ транзистора Т2: U_бэ2=-U_оп-U_э=-U_оп-(U_вх-U^*)=U^*-(U_оп+U_вх)<U^* U_э=U_вх-U^* – потенциал эмиттеров. Следовательно Т2 закрыт, ток источника тока I₀ протекает через входное плечо переключателя тока, на входе F₀ устанавливается низкий потенциал U⁰=-I₀R₁ , в правом “опорном” плече ток не течет и на выходе. F1 потенциал равен 0 U¹=0.

Если на все переключатели тока подан низкий потенциал U_вх<-U_оп, то транзисторы Т1 закрыты, Т2 открыт и на выходе F₀-U¹, на F₁-U⁰.

Логический перепад:

__

Базовый элемент ЭСЛ.

 

 

Пусть на всех входах и оба Т1 закрыты , , ток нагрузки, ток источника тока T5-R3, на выходе 0 высокий потенциал

В этом случае Т2 открыт и через R1 в его коллекторе цепи течет ток коэффициент передачи тока транзистора. , где

На выходе 1 – низкий потенциал . Токи, задаваемые транзисторными источниками тока ,

. Когда (хотя бы один) открывается Т1 и закрывается Т2, течет через Т1 и

Ограничение на максимум логического перепада определяется из условия ненасыщенного режима транзисторов Т1: . Чтобы Т1 не был насыщен (схемы нагружены друг на друга). В этом режиме Опорное напряжение:

 

Входные токи: при , где l – число открытых входов (). При

Макс ток нагрузки определяется исходя из допустимого снижения уровня при подключении нагрузки: , l=1

Мощность

 

ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ.

 

 

Чтобы:

из условия: - для стабильности ; один источник на 5-10 ЭСЛ - элементов.

 

 

 

Пусть меняется от , транзистор Т1 открывается, потенциал коллектора Т1:

- емкости коллекторов Т1 и Т3, - паразитная емкость межсоединений. - емкость нагрузки, - паразитная емкость.

Т.К. достаточно мала, а емкость нагрузки велика, потенциал не успевает следовать за уменьшением и Т3 запирается, поэтому емкость разряжается током (ток эмиттерного повторителя).

Снижение от происходит за время спада ,когда напряжение на эмиттерном переходе Т3

и Т3 открывается.

Пусть меняется от , Т1 запираются и возрастает вследствие заряда емк. С1 через R1: . Через открытый Т3 изменения передаются на выходе схемы. увеличивается до уровня за время нарастания

.

Средняя задержка переключения:

 

Энергия переключения:

 

КМОП

 

В схемах данного типа используются как n-канальные, так и p-канальные МДП транзисторы. Это позволяет создать логические схемы, практически не потребляющие мощность в статическом режиме. У таких схем потребляемая мощность на низких и средних частотах на 2-3 порядка меньше, чем у ТТЛ схем, а задержка примерно такая же. Эти схемы применяются при наличии ограничений на потребляемую мощность из-за ограниченных энергоресурсов или жестких требований к тепловому режиму. Однако они технологически сложнее и занимают большую площадь на кристалле.

 

Инвертор

 

 

Пусть следовательно n-канальный тогда следовательно p-канальный открыт и работает в крутой области выходной характеристики, то .

Пусть растет, когда , открывается и в схеме начинает течь ток.

Пусть , тогда - открыт (), - закрыт , если и - что то же самое.

Когда достигает транзистор , запирается и устанавливается

 

Рис. 37. Принципиальная схема КМОП инвертора

 

 

Рис. 38. Передаточная характеристика

 

 

Рис. 39. Структура КМОП инвертора

 

p-канальный

n-канальный

пороговое напряжение

Рис. 40. Обозначения транзисторов

 

Как правило, к выходу логической схемы подключается вход такой же логической схемы, поэтому в статике ток в КМОП схеме может течь только через транзисторы (вход следующей схемы – затворы её транзисторов, через них ток не течёт):

когда на выходе логический 0, заперт Þ ,

когда на выходе логическая 1, заперт Þ .

Требования к транзисторам КМОП схем:

1. В КМОП схемах должно соблюдаться равенство по модулю пороговых напряжений n- и p-канальных транзисторов

2. Необходимо равенство удельной крутизны n- и p-канальных транзисторов, из-за чего отношение ширины n- и p-канальных транзисторов пропорционально отношению подвижности электронов и дырок (при равной длине канала).

Схема ИЛИ-НЕ

X1	X2	Y
и оба заперты
и оба открыты

Рис. 41. Схема ИЛИ-НЕ

Схема И-НЕ

	X1	X2	Y
и оба открыты
и оба заперты

Рис. 42. Схема И-НЕ

 

Рис. 43. Сечение структуры

Рис. 44. Сечение структуры

Рис. 45. Сечение структуры

 

Рис. 46. Топология схемы И-НЕ

 

Проектирование КМОП схем. Рекомендуется длину канала транзисторов обоих типов выбрать равной двум минимальным размерам, ширину канала n-канального транзистора выбрать в 3 раза больше длины (6 минимальных размеров), тогда ширина канала p-канального транзистора будет в 3 раза больше ширины канала n-канального(18 минимальных размеров). Размеры областей стока и истока определяются шириной канала и условиями размещения контактов: контакт занимает всю площадь стока и истока, отступая от их краев на минимальный размер, ширина контакта не может быть меньше минимального размера. Когда геометрические размеры выбраны, делается расчет параметров транзисторов по формулам, приведенным выше, а после этого – расчет схемы с помощью программы PSPICE. Исходя из анализа результатов расчета схемы делаются изменения в размерах транзисторов.