3.5.5. Элементы эмиттерно-связанной логики

Микросхемы на основе эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) нашли широкое применение в быстродействующих вычислительных устройствах благодаря таким преимуществам перед другими микросхемами, как высокое быстродействие, большая нагрузочная способность, высокая стабильность динамических параметров при изменении напряжения питания и рабочей температуры, независимость тока потребления от частоты переключения.

Базовый логический элемент ЭСЛ выполняет одновременно две функции: ИЛИ-НЕ и ИЛИ (рис. 3.33). Электрическая схема базового элемента состоит из трех цепей: токового переключателя, источника опорного напряжения и выходных эмиттерных повторителей.

Токовый переключатель построен на транзисторах T1-T4, резисторах R1 – R7 и диоде. Операция ИЛИ в переключателе выполняется за счет параллельного подключения транзисторов T1 и T2. Источник опорного напряжения представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе T5, резисторах R8, R9, термокомпенсирующих диодах D2 и D3. Один такой источник обслуживает несколько ЛЭ на одном кристалле. На транзисторах T6, T7 собраны выходные эмиттерные повторители. На первом выходе реализуется операция ИЛИ - НЕ, а на втором – операция ИЛИ.

Особенностью схемотехнического решения ЭСЛ является применение отрицательного источника питания, а также раздельного подключения шины земли к цепям токового переключателя и источника опорного напряжения с одной стороны (шина общ.1) и к цепи выходных эмиттерных повторителей – с другой стороны (шина общ.2). Следует учитывать при применении ЭСЛ ИС, что в этих цепях наблюдается различный характер потребления тока из шины электропитания в момент переключения элемента. В общей шине 1 ток практически постоянный, а в общей шине 2 – импульсный. Если эти шины разделить, то можно повысить помехоустойчивость. Заземление коллекторных цепей ЛЭ позволяет устранить влияние напряжения источника питания на уровни выходного напряжения, так как при этом напряжения и , т. е. не зависят от источника Е . Выходные эмиттерные повторители подсоединяются к источнику отрицательного напряжения питания через внешние нагрузочные резисторы. Для уменьшения потребляемой мощности напряжение может быть уменьшено до 2 В. Оба входа базового ЛЭ подключаются к источнику питания Е = - 5,2 В через резисторы R3 и R4, что позволяет неиспользуемые входы ЛЭ оставлять в аппаратуре неподключенными.

Передаточная характеристика базового ЛЭ ЭСЛ приведена на рис. 3.35.

3.5.6. 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 .