--PAGE_BREAK--Розглянемо найбільш розповсюджені схемотехнології, які застосовуються в інтегральних схемах:
1. Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ).
2. Емітерно-зв’язана логіка (ЕЗЛ).
3. Логіка, побудована на основі структури метал-діелетрик-напівпровідник з п-каналом (пМДП).
4. Логіка, побудована на основі структури метал-діелетрик-напівпровідник із транзисторами різної провідності (КМДП).
Технологія ЕЗЛ.
Технологія ЕЗЛ є так само, як і технологія ТТЛ, біполярною, тобто елементи будуються з використанням біполярних структур. Основою елементів ЕЗЛ є так називаний «перемикач струму», на основі якого будується базовий елемент цієї технології — АБО- -НІ (див. рис. 11); по виходу1 даної схеми реалізується логічна функція АБО-НІ, а по виходу2 — АБО.
Через низький вхідний опір схеми ЕЗЛ мають високу швидкодію і працюють переважно в активному режимі, отже, перешкода, яка попадає на вхід, підсилюється. Для підвищення перешкодостійкості шину колекторного живлення роблять дуже товстої і з'єднують із загальною шиною.
Рис. 11. Базовий елемент ЕЗЛ.
У порівнянні зі схемами ТТЛ схеми ЕЗЛ мають більш високу швидкодію, але пперешкодостійкість у них набагато нижче. Схеми ЕЗЛ займають велику площу на кристалі, споживають велику потужність у статичному стані, тому що вихідні транзистори відкриті і через них протікає великий струм. Схеми, побудовані за даною технологією не сумісні зі схемами, побудованими по інших технологіях, що використовує джерела позитивної напруги.
Будь-який цифровий пристрій призначений для виконання тієї чи іншої логічної функції, отже, такий пристрій можна представити у виді елементарних комірок, таких як НІ, І-НІ, АБО-НІ, які приведені нижче в таблиці 1.
Таблиця 1. Основні логічні функції
2. РОБОТА ЕЛЕМЕНТА ЕМІТЕРНО-З’ВЯЗАНОЇ ЛОГІКИ
Найбільш швидкодіючими логічними ІМС у данийчас є елементи емітерно-зв’язаної логіки(ЕЗЛ) і особливо елементи емітерно-зв’язаної логікиз емітерними повторювачами на вході (ЕЕЗЛ). Ці елементи працюють у режимі переключення струму, і в них високашвидкодія забезпечується, насамперед, за рахунок запобігання насичення транзисторів шляхом введення глибокогозворотного зв’язку по струму за допомогою резистора в колі емітера. Цей зворотний зв’язок одночасно сприяє скороченнютривалості перехідних процесів у базі транзисторів. Немаловажну роль грають обмеження межзміни перепадів напруги і використання емітерних повторювачів для введення і знімання інформації.
Найбільш простим елементом на перемикачах струму є елемент ЕЗЛ, схема якого показана на рис. 1. Особливості елементів з об’єднаними емітерами зручно пояснити на прикладі цього елемента.
Рис. 12. Мікросхема ЕЗЛ
Основу розглянутої групи ІМС складає перемикач струму, що являє собою ключовий елемент на транзисторах з об’єднаними емітерами, (на рис. 1 транзистори T1— Тз і Т). У емітерне коло транзисторів задається струм I0постійного значення. Сталість струму I0 підтримується або шляхом включення в коло эмиттеров порівняно високоомічного резистора R (рис. 12), або шляхом використання транзисторного джерела струму. Значення струму I0вибирають так, щоб у нормальному режимі роботи елемента виключалося насичення транзисторів, що утворюють перемикач струму.
Керування перемикачем струму здійснюється шляхом подачісигналів на бази транзисторів T1— Т3. На базу транзистораTподається фіксований опорний потенціал Uоп, значенняякого вибирають так, щоб транзистор Т був здатний пропускати повністю струм I0при встановленні на базах вхідних транзисторів низького потенціалу, відповідаючого логічному 0. При подачі високого потенціалу, що відповідає логічній 1, на базу хоча б одного з вхідних транзисторів струм I0перемикається в емітерне коло відповідного вхідного транзистора. При цьому транзистор Т с фіксованим зсувом замикається. При перемиканніелемента відбувається зміна вихідних потенціалів: потенціал колекторів вхідних транзисторів знижується на, а потенціал колектора транзистора Т, підвищуючи на, досягає рівня напруги джерела живлення Ег.
У колі послідовно включених перемикачів струму колекторні потенціали не можна безпосередньо використовуватияк вхідні напруги для керування наступними ІМС, тому що вони перевищують рівні відповідних потенціалів на входах. Для нормальної роботи ІМС необхідно зробити зрушення рівня колекторних потенціалів. Для цієї мети найбільше часто використовують емітерні повторювачі, що підключаються до колекторів вхідних транзисторів і транзистора з фіксованим зсувом (рис. 1 повторювачі на транзисторах Т4 і Т5). При цьому зрушення рівня дорівнює перепаду напруги між базою і емітером Uбэ.сдтранзистора. Цим перепадом напруги лімітується розмах логічногосигналу .
Дійсно, на базу вхідного транзистора в провідному стані подається вхіднанапруга , яке відповідає логічній1, що призводить до відмикання цього транзистора і зниженнюпотенціалу колекторів вхідних транзисторів.При цьому, щоб відкритий транзистор не насичувався, Необхідно забезпечити виконання умови
, що можливо тільки в тому випадку, якщо перепад напруги на колекторі не перевищує напруга зрушення, створена повторювачем, тобто при
(1)
Порушення цієї умови приводить до насичення транзистора, тому що потенціал його колектора виявляється нижче потенціалу бази. Отже, збільшення розмаху логічного сигналу, який визначаєтьсяперепадом напруги в колекторному колі вхідних транзисторів, припустимо тільки при відповідномузбільшенні зсуву рівня Uбэ.сд. Цього можна досягти, наприклад, шляхом вмикання додаткового діода, що зміщає, у емітерні кола транзисторів Т4 і Т5. Емітерні повторювачі (без зсувних діодів) забезпечують зсув рівня, що складає 0,8 — 0,9 В. Розмах логічного сигналу, дорівнює цьому значенню, виявляється достатнім для більшостіцифрових автоматів, побудованих на елементах ЕЗЛ. При цьому, щоб одержати однаковий розмах логічного сигналу на що інвертуючому і неінвертуючому виходах елементазначення опорів резисторів RKl =RK2вибираютьсярівними один одному: RKl =RK2 = RK.
Включення повторювачів призводить також до зменшення вихідного опору елемента, що сприяє підвищенню його навантажувальної здатності і швидкодії.Таким чином, перемикач струму, доповнений емітерними повторювачами, стає логічним елементом, що реалізує операції АБО-НІ і АБО.Сигнал, що відповідають операції АБО-НІ, знімається з виходу повторювача, підключеного до інвертуючої половини елемента (тобто до колекторів вхідних транзисторів), а сигнал, що відповідає операції АБО, — з виходу повторювача, зв’язаного з транзистором Т (рис. 12).
Елементи на перемикачах струму виготовляються у вигляді напівпровідникових чи сполучених ІМС. Так як в цих ІМС транзистори працюють без насичення, то шляхом підключенняпідкладки та ізолюючих шарів к точкам відповідно з найменшим і найбільшим потенціалами можна замкнути паразитні транзистори, вимкнувши тим самим їх активну дію. Тому в ІМС на перемикачах струму виявляється тільки ємнісний вплив підкладки.
На рис. 13 показана перемикальна характеристика мікросхемиЕЗЛ для двох її виходів: інвертуючого (Uвых1) та неінвертуючого (Uвых2).
рис. 13. Перемикальні характеристики мікросхеми ЕЗЛ.
При вхідних напругах, меншихпотенціалу відмикання, вхідні транзистори залишаються замкненимиі на інвертуючому встановлюється високий потенціал
(2)
відповідний логічній 1 (lэс.—.число вхідних транзисторів). При цьому струм I0цілком відбирається транзистором Т з фіксованим зсувом і на неінвертуючому виході установлюється низький потенціал
(3) відповідний логічному 0. Розмах логічного сигналу
(4)
Коли напруга UВХ досягає потенціалу відмикання, вхідні транзистори починають проводити, і струм I0частково відгалужується в емітерипровідних транзисторів. Якщо одночаснопроводять lпрвхідних транзисторів (із загального числа lэс), то потенціал колектора цих транзисторів зменшуєтьсяі відповідно знижується напруга на інвертуючому виході до рівня
(5)
Через перерозподіл струму I0змінюється і напруга на неінвертуючому виході
(6)
Струми емітерів Іэ1і Іэ відповідно для вхідних транзисторіві транзистора Т визначаються співвідношеннями
(7)
де U0= IoR — потенціал об’єднаних емітерів відноснозагальної шини живлення.
При відмиканні вхідних транзисторів трохи змінюєтьсяструм I0і відповідно потенціал об’єднаних емітерівU0.Зміна струму I0настільки незначна, що їм можна не враховувати. Не так істотно змінюється і потенціал U0(у порівнянні зі своїм середнім значенням).Однак ця незначна зміна U0порівнянна з напругою наемітерних переходах транзисторів. Саме вона призводить до зміни струму емітера Іэ транзистора з фіксованим зсувом, тому.для правильного розрахунку перемикальноїхарактеристики необхідно враховувати змінуU0зі зміною вхідної напруги Uвх. Залежність U0про від Uвхможна визначити із рівняння І0= ІпрІэ1+ Іэ, представившийого в наступному виді:
Визначивши із цього рівняння
можна виразити залежність вихідних напруг від вхідноїнапруги наступними співвідношеннями:
(8)
При зміні вхідної напруги трохи міняється і різниця потенціалів Uбэ.сдна емітерному переході транзисторів у схемах повторювачів. Тому що в робочому діапазоні відхилення Uбэ.сдвід свого середнього значення незначні, то при практичних розрахунках ними можна зневажати, прийнявши
(9)
Це значення Uбэ.сдвідповідає середньому значенню струму емітератранзистора в схемі повторювача, який визначається зі співвідношення
(10)
де
Тому що та визначаються через Uбэ.сд, то при первіснихрозрахунках зручно замість формули (9) скористатисяспіввідношенням ,
(11)
заснованим на рівності Uоп=0,5(+ ), до виконанняякого звичайно прагнуть, щоб забезпечити симетрію елемента по граничних напругах.
Коли транзистор Т перестає проводити, струм І0цілком відбирається провідними вхідними транзисторами. Після цього зі збільшенням вхідної напруги спостерігається зменшеннянапруги на інвертуючому виході Uвых1Тому що після повного переключення струму І0 провідні вхідні транзистори працюють із глибоким негативним зворотним зв'язком по струму, що протікає через резистор R, тозменшення Uвых1 незначне. При напрузі Uвх.настранзисторинасичуються, їхній базовий струм відгалужується в колекторнийланцюг, зменшуючи перепад напруги на RK1, тому Uвых1зростає (рис. 13). Насичення вхідних транзисторів порушуєнормальний режим роботи ІМС, тому шляхом відповідногопідбора параметрів схеми і напруг джерелживлення такий режим роботи вимикається.
Як видно з графіків на рис. 13, перемикальні характеристикиUвых1і Uвых2перетинаються в точці 3, координатиякої можна визначити з рівняння Uвых1= Uвых2 Напідставі цього рівняння можна показати, що перемикальніхарактеристики перетинаються при вхідній напрузі:
При цьому
тобто в точці перетину
(12)
Якщо опорна напруга обрана рівним середньому значенню , тобто
(13)
те робочі точки 1 і 2 розташовуються симетрично щодо середньої точки 3 для lпр = 1 (рис. 13).
Тому що в мікросхемі ЕЗЛ транзистори працюють в активній області у всьому робочому діапазоні зміни вхідної напруги, те перешкодостійкість обмежується напругою, при якій коефіцієнт підсилення логічного елемента по відповідним виходах зростає до 1. На підставі (8) можна показати, що коефіцієнт підсилення по інвертуючому виходу стає рівним мінус одиниці при вхідній напрузі
(14)
а по неинвертирующему виході-одиниці 1), коли вхідна напруга досягає
(15)
Коефіцієент К визначається виразом
(16)
Перешкодостійкість ІМС, яка визначається як різниця вхідних напруг у робочих струмах і при одиничному коефіцієнтіпідсилення, розраховується за формулами
які виходять на підставі формул, виведених вище. Помітимо, що при lпр=1 перешкодостійкість для логічної1 і логічного 0 по входу виявляється однаковою. Зі збільшеннямчисла провідних транзисторів lпрсиметрія ІМС по перешкодостійкості порушується; перешкодостійкість для логічної 1 стає більше перешкодостійкою для логічного0.
При визначенні навантажувальної здатності і коефіцієнта об'єднання по входу в ИМС на перемикачах струму припустимі значення перешкодостійкості не є визначальними, як це має місце для інших типів логічних елементів.Для розглянутої групи ИМС зазначені параметри визначаються припустимим збільшенням тривалості перехідних процесів, тому що ІМС на перемикачах струму є швидкодіючими і саме цей параметр для них є визначальним.
Підвищення швидкодії елемента ЕЗЛ досягається шляхомпомітного збільшення споживаної потужності. Середнє значення цієї потужності можна розрахувати по формулі
(17)
у який перший доданок — це потужність, споживана перемикачем струму, а другий доданок продолжение
--PAGE_BREAK--