Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Графы.doc
Скачиваний:
21
Добавлен:
04.12.2018
Размер:
6.71 Mб
Скачать

6.1.2. Диодно-транзисторный компонент «и-не»

Конечно, применение диодных логических элементов с разными полярностями переменных не очень экономично, так как вызывает необходимость в дополнительных элементах для согласований уровней входных сигналов элементов. Поэтому проще всего последовательно с диодным логическим элементом включить транзисторный инвертор сигнала и реализовать компонент И-НЕ. С их помощью синтезируют комбинационные узлы, логическое состояние выходов которых зависит только от комбинации входных логических переменных в данный момент времени. Синтез узлов осуществляют после минимизации логической функции [2] и приведения её к дизъюнктивной нормальной форме. Из-за ограниченного объёма пособия подробно рассмотрим схемотехнику только этого компонента (рис.3,а).

Здесь операцию И выполняют диоды в соответствии со схемой рис.2, в которой роль диода Д4 выполняет переход база-эмиттер транзистора. Помимо этой функции транзистор инвертирует и усиливает сигнал, тем самым восстанавливает согласно уравнению (1).

Таблица истинности 3 этого элемента выглядит следующим образом

Таблица 3

Анализ таблицы 3 показывает что, наличие хотя бы на одном из входов сразу определяет выходной сигнал , что существенно упрощает анализ многоэлементных схем.

рис.3,а наглядно показывает путь разряда конденсатора через нагрузку и транзистор, находящийся в насыщении или на границе насыщения, т.е. через сопротивление не больше 100 Ом. Заряд конденсатора происходит через резистор Rбал, когда транзистор закрыт. Сопротивление Rбал больше, чем на порядок превосходит сопротивление транзистора, находящегося в насыщении. Существенно уменьшить сопротивление Rбал невозможно, так как с ростом тока через элементы увеличиваются тепловые потери тем самым, снижая число компонент на кристалле (степень интеграции) ИС.

Поэтому к компоненту И-НЕ необходимо подсоединить каскад усиления мощности с одинаково малыми выходными сопротивлениями, как для сигнала , так и для сигнала .

6.1.3. Транзисторно-транзисторные компоненты (ттл) «и-не»

ТТЛ элементы в системах описываются достаточно простыми моделями, которые в зависимости от целей анализа описываются с

помощью таблиц истинности; времени задержки и таблиц истинности; схемной модели, содержащей на каждом входе RC-цепь и зависимый источник управляемый системой логических уравнений управляющих модульными функциями.

Распространение сигналов в цифровых системах сопровождается заметными задержками. Чтобы понять, чем они обусловлены и какими средствами структурного и технологического аспектов проектирования можно их уменьшать, ниже будут рассматриваться в историческом развитии структуры цифровых компонент, построенных в основном на транзисторах: биполярных и полевых. В других разделах эти компоненты будут уже выступать как элементы с определёнными параметрами и характеристиками рассматриваемыми в данном разделе.

совершенствование структуры диодно-транзисторного логического компонента проходило после изобретения технологии интегральных схем (ИС) в 1959г. в США. технологический аспект в производстве и совершенствовании электронной аппаратуры занял не подчинённое положение, а доминирующее. Регулярное совершенствование технологии направленное на сокращение размеров транзисторов, привело к удваиванию числа элементов на полупроводниковом кристалле через каждые три года (эта закономерность сохраняется и по настоящее время). Одновременно снижалось время переключения транзисторов и их стоимость. В настоящее время базовый размер элементов полупроводникового кристалла (длина канала МОП-транзистора) составляет 45 -30 нм вопреки распространённому мнению физиков в 90-е годы прошлого века о невозможности изготовить работающие МОП-транзисторы таких размеров. число элементов на кристалле превышает 800 миллионов.

К сожалению, отечественные разработчики технологий не получили своевременного финансирования необходимых исследований и по решению правительства были вынуждены калькировать зарубежные решения. Однако по мере уменьшения базовых размеров кристалла достаточно скоро эта не этичная возможность исчезла, а отечественная микроэлектронная техника практически осталась на уровне начала 90-х годов прошлого века.

Для разработки современных технологий требуются десятки миллиардов долларов, примерно такие же суммы необходимы для разработки систем автоматизированного проектирования (САПР) цифровых и аналоговых систем, расположенных на одном кристалле. Скорости работы и число элементов на кристалле таково, что примерно 80% площади многослойного кристалла занимают соединительные провода, которые уже необходимо рассматривать, как длинную линию со всеми возникающими в связи с этим согласованиями источников сигнала и их приёмников. Цифровые устройства занимают (75-80)% площади кристалла, а остальную площадь занимают аналоговые устройства и интерфейсы. Однако время проектирования аналоговых устройств занимает примерно 80% от всего времени схемотехнического проектирования из-за того, что САПР их структур развито значительно хуже, чем цифровых.

Сокращение времени проектирования, его стоимости и увеличения объёма выпуска кристаллов играет решающую роль в конкуренции на рынках электронной продукции. Для снижения затрат на изготовление и проектирование ИС предусматривают возможность программной перестройки их структур и параметров элементов. для повышения быстродействия и надёжности ИС осуществляют распараллеливание обработки процессов.

Таким образом, схемотехника как цифровых, так и аналоговых устройств должна строиться на компонентах, позволяющих их использовать многократно за счёт программной перестройки структур и параметров элементов, а также иметь возможности параллельной обработки сигналов в многопроцессорных системах.

В настоящее время цифровые устройства внутри кристалла в основном строят на логических компонентах, состоящих из комплементарных МОП-транзисторов (КМОП). Комплементарными называют два транзистора с разными типами проводимости каналов, но с примерно одинаковыми параметрами. Для соединения с периферийными и аналоговыми устройствами кристалла применяют транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) и более сложные компоненты, отличающиеся от КМОП элементов возможностью работать на большую токовую нагрузку.

Наряду с технологией совершенствовались и структуры элементов. ниже будут описаны носящие общий характер шаги совершенствования ИС, охватывающие три аспекта проектирования: функциональный, структурный и технологический.

Сначала технологи обратили внимание на то, что три диода в схеме логического компонента (рис.3,а) имеют общую точку. Структуры с двумя p-n переходами – у биполярных транзисторов – ими широко применялись и как транзисторы, и как диоды при соединении базы с коллектором или базы с эмиттером. Присоединение ещё одного p-n перехода не представляло большой сложности. в результате был разработан (рис.3,б) многоэммитерный транзистор (МЭТ), в котором роль диода Д3 выполняет переход база коллектор МЭТ. В настоящее время технологически оправданным считается применение МЭТ, содержащем до 8 эмиттеров.

Достоинство МЭТ состоит в повышении однородности технологии, а недостатком является их относительно большой ток открытых переходов база – эмиттер и большая суммарная ёмкость конденсаторов между базой и общим узлом.

Следующим шагом к повышению быстродействия логических компонент явилось выравнивание времени заряда и разряда «паразитных» конденсаторов нагрузки с помощью усилителя тока (рис.4). Фактически диоды исчезли из схем логических компонент, а поэтому для них появилось название транзисторно-транзисторная логика, хотя диоды навсегда не исчезают при выполнении логических операций (см. ниже).

Далее будут рассмотрены применявшиеся (К155 серия, которая является аналогом зарубежной серии SN74, К555 (SN74LS)) и применяемые в настоящее время в периферийных подсистемах основные серии микросхем транзисторно-транзисторной логики: К1531 (SN74F) и К1533 (SN4ALS). К настоящему времени перечисленные серии внутри кристалла вытеснены логическими КМОП компонентами, построенными на высококачественных комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором.

Базовая ячейка 155 серии была разработана в 1963 г. фирмой Техas Instruments (TI, SN74) (рис.4, а) и содержит:

а) импульсный усилитель (транзистор Т1 с резисторами Rбал2, R3, Rогр1 и транзистором Т2), работающий на оконечный усилитель мощности (ТЗ, Rогр2, Д3; Т4), в котором транзисторы ТЗ и Т4 работают в противофазах: в статическом режиме один закрыт – другой открыт;

б) логический элемент (ЛЭ) И, реализованный с помощью МЭТ и Rбал1;

в) диоды Дl, Д2 образуют с выходными сопротивлениями источников сигналов параллельные ограничители, защищающие входы ячейки от отрицательных перенапряжений. Базовая ячейка входит в микросхему 155ЛАЗ согласно условно графическому обозначению (УГО), показанному на рис.5,а. Она содержит 4 логических компонента И-НЕ, у которых общим является только источник питания, подключённый к узлам 14 и 7.

Работа компонента «И-НЕ» в статическом состоянии описывается с помощью таблицы 3. Если на оба входа подано высокое напряжение uc1=uc2=, то переходы база-эмиттер 1 и база-эмиттер 2 будут заперты, а высокое напряжение

Uб=+Uотп поступит на базу транзистора Т1, переводя его в открытое состояние, а после окончания переходного процесса – в режим насыщения. Протекающий через балластный резистор Rбал1 базовый ток МЭТ уменьшает напряжение Uб и оба перехода база-эмиттер МЭТ еще более запираются. Заметим, что в статическом состоянии токи баз МЭТ, Т1 и ток коллектора МЭТ практически близки. Следовательно, через переходы база-эмиттер МЭТ идет незначительный обратный ток.

В случае поступления хотя бы на один вход напряжения низкого уровня соответствующий переход открывается и напряжение Uб будет равно:

,

где »0.7 В и Uотп»0.4 В (рис.1,б). Этого напряжения UБ недостаточно, чтобы открыть три р-n перехода: база-коллектор МЭТ, переходы база-эмиттер Т1 и Т2 или Т1 и Т4. Следовательно, транзисторы Tl, T2 и Т4 будут заперты.

Отметим, что МЭТ работает в инверсном режиме. Для транзисторов n-р-n обычным является режим с более высоким напряжением коллектора по отношению к эмиттеру, например, так включены все остальные транзисторы компонента. В рассматриваемой ИС коллектор МЭТ имеет всегда более низкий потенциал, чем эмиттер. Отсюда малый коэффициент усиления МЭТ ().

Выше были проанализированы два статических состояния сигналов на входе и два состояния транзистора Tl. Переход сигнала из одного состояния в другое всегда континуален, а поэтому и транзистор Tl будет проходить последовательно фазы от насыщенного состояния в ненасыщенное, а далее в линейный режим и в запертое состояние. Следовательно, изменение его тока также континуально (практически непрерывно). это приводит к постепенному отпиранию транзистора Т4 и запиранию транзистора ТЗ и диода Д3. Причем, когда Tl будет находиться в линейном режиме (Uвx=Uср рис.5, б), то в том же режиме будут работать и транзисторы ТЗ, Т4. В случае поступления хотя бы на один вход напряжения низкого уровня соответствующий переход открывается и напряжение Uб будет равно:

Uб= +U*,

где U*»0.7 В и Uотп » 0.4 В (рис.1,б) для кремниевых приборов. Этого напряжения недостаточно, чтобы открыть три р-n перехода: база-коллектор МЭТ, переходы база-эмиттер Т1 и Т2 или Т1 и Т4. Следовательно, транзисторы Tl, T2 и Т4 будут заперты.

Для ограничения сквозного тока, могущего вызвать тепловой пробой этих транзисторов, поставлен резистор Rогр2.

Для более быстрого переключения транзистора Т4 из закрытого состояния в открытое в цепи эмиттера транзистора Tl включён нелинейный резистор, состоящий из R3, Rогр1 и транзистора Т2 . Последний будет заперт, пока на базе транзистора Т4 напряжение меньше Uотп, а это значит, что весь ток iэ1 будет заряжать конденсатор Cб4. Именно зарядом конденсаторов Cбi, обусловлено время задержки логического элемента при переключении его с высокого напряжения на выходе на низкий уровень . После отпирания транзистора Т4 начнётся время спада выходного напряжения с высокого уровня на низкий. ток iэ1 будет распределяться между токами баз Т4 и Т2 и током заряда конденсатора Cб4, скорость изменения напряжения на котором вместе с временем разряда конденсатора нагрузки и будет задавать время спада напряжения на выходе ИС.

Транзисторы ТЗ и Т4 в статическом состоянии будут или заперты (ТЗ - когда Tl в насыщенном состоянии, Т4 - когда Tl заперт) или в насыщенном состоянии (Т4 - когда Tl заперт и ТЗ - когда Tl в насыщении).

при насыщенном Т4 напряжение на нагрузке , а когда Т4 - заперт, а ТЗ - открыт, то

(3 )

Это значение напряжения ближе к верхнему пределу, ибо не учитывает падение напряжения Iб3R2. Его можно учесть, найдя из (3) ток нагрузки и поправку

. (4)

поправка к напряжению, вычисленному по формуле (3), при h21=100 и Rн > R2 будет составлять порядка 0,04 В. Выход компонента чаще всего подключён к входу такого же логического элемента и при напряжении его переход эмиттер-база заперт, а поэтому он имеет довольно большое входное сопротивление.

Переход логического элемента из состояния с низким напряжением на нагрузке в состояние с высоким напряжением характеризуется временем задержки . Это время превосходит время нарастания и спада логического элемента.

Достоинствами рассмотренной серии являются простота схемы и ее технологичность, а отсюда высокая надежность и малая стоимость.

Недостатками являются большая рассеиваемая мощность (порядка 30 мВт), что приводит к увеличению эксплуатационных расходов, ограничению степени интеграции (на одном кристалле обычно выделяется мощность порядка 200 ... 300 мВт без специальных мер по его охлаждению), нежелательным экологическим последствиям.

Следующим существенным недостатком микросхем этой серии является их

невысокое быстродействие: среднее время задержки tзад = =17,5 нс., максимальная частота переключения Fmax = 10 МГц (Fmax = 35 МГц для SN74 вследствие более совершенного уровня технологии). Это сужает область применения элементов в системах обработки информации.

Требования, предъявляемые к элементам микросхем противоречивы. Снижение потребляемой мощности за счет изменения параметров элементов приводит к уменьшению токов в схеме и как следствие к увеличению времени перезарядки паразитных емкостей (Сб1, Сб3, Сб4), т.е. к уменьшению быстродействия.

Итак, малое быстродействие ЛЭ связано в основном с достаточно большими ёмкостями технологических конденсаторов Cбi. Поэтому повышение качества логического компонента связано с совершенствованием его элементов на технологическом аспекте проектирования(см.) (например, путём уменьшением размеров площадей транзисторов, что автоматически приведёт к уменьшению площадей обкладок конденсаторов и их ёмкостей) при сохранении схемы.

Затем, на функциональном аспекте проектирования (см.) выявляют недостатки существующей структуры и вырабатывают требования к новой структуре. на структурном аспекте проектирования (см.) изменяют ее структуру путём синтеза нового принципа или способа построения или в рамках ранее синтезированного способа синтезируют новую структуру, а для неё синтезируют новые значения параметров элементов. Наконец, создают новую компонентную базу, включающую в себя усовершенствования всех аспектов и этапов.

Обобщенно говоря, совершенствуют качество устройства путём создания новых элементов, структур и параметров их элементов.

Применение первого пути привело к серии интегральных микросхем К555 (SN74LS). Она была выпущена в 1971 г. фирмой NJ (рис. 6). В базовом компоненте серии К555 транзисторы заменены на транзисторы Шоттки, имеющие, по сравнению с обычными транзисторами, заметно большее быстродействие (технологический аспект(см.)): среднее время задержки уменьшилось до 5 нс за счет применения быстродействующих диодов Шоттки. Их включение параллельно переходу база коллектор транзистора при большом отпирающем напряжении на переходе ограничивает напряжение на нём уровнем 0,3 В и транзисторы не входят в режим глубокого насыщения, как это было в предыдущей схеме, а только подходят к его границе. В результате уменьшается время запирания транзисторов.

Отказались от МЭТ, который имел очень большую площадь базы и соответствующий базовый конденсатор.

Для уменьшения входного тока при низком уровне сигнала применён диодный логический элемент (Дl, Д2, R1), в котором балластное сопротивление R1 увеличено в 5 раз по сравнению с ЛЭ 155 серии.

Для выравнивания времени заряда конденсатора Cн со временем его разряда через открытый транзистор Т5 в цепи заряда конденсатора вместо диода Д3 (см. рис.4) включён ещё один транзистор (Т4), образующий составной транзистор усилителя тока с коэффициентом усиления примерно равным произведению h21i, i=3,4. Надежное запирание Т4 осуществляется при запертом ТЗ с помощью резистора R5, через который проходят начальный ток Iэб запертого транзистора ТЗ и обратный коллекторный ток Iк0 транзистора Т4. Подчеркнем, последний не является транзистором Шоттки, поскольку он работает как усилитель тока в линейном режиме и не входит в режим насыщения.

Кроме параметрического способа повышения быстродействия в схеме использован и структурный - все время запертый диод Шоттки Д5. Для ускорения разряда "технологического" конденсатора Сб4 при запирании транзистора Т4 используется емкость запертого р-n перехода Д5. В статическом состоянии диод практически не оказывает влияния на работу ячейки. При отпирании Т1 и Т5 к диоду Д5 прикладывается перепад напряжения

, (5)

под действием которого и разряжается Сб4 через коллектор-эмиттер близкого к насыщению транзистора Т1 и переход база-эмиттер Т5. В этом выражении знак приближённого равенства принят из-за того, что напряжения равны в среднем. Сначала напряжение больше напряжения открывающегося транзистора Т5. затем, они постепенно меняясь в противоположные стороны, приходят к уровням напряжений, при которых транзистор Т4 закрывается, а Т5 переходит в режим, соответствующий границе насыщения. В индексе напряжения буква «н» обозначает границу области насыщения.

Следовательно, заряд, накопленный на конденсаторе Сб4, с помощью контура обратной связи (диод Д5, переход коллектор – эмиттер транзистора Т1, переход база – эмиттер транзистора Т5, общий узел) с одной стороны разряжается и быстрее закрывается транзистор Т4, но с другой стороны увеличивается ток базы Т5, что ведёт к ускорению перехода этого транзистора из закрытого состояния в открытое. Когда (про транзистор Т2 и рассеиваемую мощность)

Предпринятые меры позволили повысить максимальную частоту переключения Fmax элементов серии 555 до 15 МГц (Fmax=45 МГц для SN74LS). Но полученное в 555 серии быстродействие и рассеиваемая мощность на элементах не удовлетворяли потребителей.

поэтому усилиями технологов и схемотехников фирм Fairchild в 1979 г. были разработаны логические элементы серии SN74F (КР1531, рис. 7), а фирмой TI в 1980 г. серия SN74ALS (КР1533, рис. 8) и в 1982 г., серия SN74AS (КР1530). Среди микросхем ТТЛ последняя серия является самой быстродействующей (для SN74AS tэ.cр = 1,5 нс; Fmax = 200 МГц). как и в вышеперечисленных сериях были использованы последние достижения в технологии того времени, Благодаря этому частоту переключения транзисторов довели до 6 ГГц, близкую к теоретическому пределу для кремниевых структур при существовавших в то время базовых размерах транзисторов.

В базовом логическом компоненте серии 1531 (рис.7) (SN74F, здесь F означает FAST - Fairchild Advanced Shottky TTL) с номерами элементов, совпадающих с номерами элементов схемы, изображенной на рис. 6, выполняют аналогичные функции. Потому рассмотрим влияние вновь введенных элементов на работу микросхемы.

Диоды Д6 и Д7 подобно диоду Д5 позволяют при быстро разрядить паразитный конденсатор Cб1 базы Т1. Усилитель тока, построенный на транзисторе Т6, с одной стороны повышает входное сопротивление микросхемы, а с другой увеличивает ток заряда конденсатора Cб1, что уменьшает время задержки отпирания транзистора Т1.

В этой микросхеме применён весьма изящный способ ускоренного разряда конденсатора нагрузки с помощью диода Д8. Рассмотрим процессы в компоненте при перепаде напряжения . если оба входных сигнала равны , то на базу транзистора Т1 поступит напряжение , отпирающее его. В результате протекания тока iк1 коллекторное напря­жение Uк1 уменьшается и диод Д8 открывается высоким напряжением . В результате через транзистор Т1 идет коллекторный ток, обусловленный напряжениями Uп и Uсн. Ток через диод Д8 идет только до тех пор, пока выполняется неравенство

. (6)

Рис.7

Очевидно, дополнительная составляющая тока коллектора Т1 увеличивает на короткое время базовый ток Т5, способствуя более быстрому отпиранию его и вследствие этого ускоренному разряду конденсатора Сн. В статическом состоянии при напряжении на выходе ток через диод Д8 отсутствует. Значит, степень насыщения транзистора Т5 не увеличивается, а поэтому не увеличивается и его время запирания.

Для уменьшения времени запирания Т5 в микросхеме применены диоды Д9, Д10, Д11 и транзистор Т7. Диод Д9 все время заперт и в нем используется емкость запертого перехода. При поступлении хотя бы на один их входов компонента напряжения происходит запирание транзистора Т1, так как для его отпирания необходимо открыть два p-n перехода: база-эмиттер Т5 и Т1:

. (7)

В результате уменьшения тока коллектора Т1 на базе Т3 , а затем и Т4 возникнет высокое напряжение обуславливающее на короткое время ток конденсатора IД9, втекающего в базу транзистора Т7. ток коллектора Т7 вытекает из базы Т5, тем самым уменьшая время его выключения.

во время перехода напряжения на нагрузке с высокого уровня на низкий, зарядившийся конденсатор Д9 разряжается через диод Д5, транзистор Т1 ёмкость перехода Д10.

Диод Д11 ограничивает снижение потенциала базы транзистора Т5 при открытом транзисторе Т7 до уровня, сохраняющего скорость переключения ЛЭ на больших частотах.

Диоды Д3, Д4 и Д12 уменьшают соответственно на входе и выходе отрицательные выбросы ("звон" напряжений, возникающих на больших частотах из-за несогласованно­го включения нагрузок и индуктивностей соединительных проводов).

Итак, структурные изменения обеспечили уменьшение времени выключения транзисторов Т1, Т4 и Т5 и быстрый разряд конденсатора нагрузки, что сделало эту схему более приспособленной к работе на емкостную нагрузку, чем ранее рассмотренные.

Применение нового, по тому времени, принципа технологии Isoplanar II, позволившего получать транзисторы с очень высокой скоростью переключения и малыми паразитными емкостями, наряду со структурными усовершенствованиями позволила по­лучить среднее время задержки 2.7 нс., рассеиваемую мощность 4 мВт и Fmax = 100 МГц.

Серия 1533 была разработана на год позже предыдущей с использованием нового принципа в технологии – ионной имплантации примесей. Это позволило поднять рабочую частоту ЛЭ по сравнению с ЛЭ серий 155, 555 при снижении Рпот до 1 мВт. Разработчики ставили своей задачей заменить этой серией более энергоемкие серии ЛЭ 155, 555 при более высоком быстродействии (tзд.р =4 нс.) и при конструктивной совместимости.

Базовая схема элемента И-НЕ (рис.8) показывает, что схемотехнических новинок в выходном каскаде здесь нет. Снижение потребляемой мощности достигнуто структурным и параметрическим путями.

Рис.8

применением линейного дифференциального усилителя тока на входах компонента (транзисторы p-n-p Т6 и Т7) существенно уменьшено его время задержки. одновременно каскад выполняет логическую функцию «И» и повышает входное сопротивление, т.е. уменьшает входной ток. Чтобы сопротивление резистора R1 можно было сделать достаточно большим, применён составной усилитель тока Т8, Т1, а сохранение высокого быстродействия достигнуто за счет структурных изменений в техно­логии.

1 Более подробно аппроксимация отражена в разделе "Фильтрация"стр.200.

2 В литературе обычно критерии Гурвица приводятся в эквивалентной, с точки зрения математики, форме: коэффициенты при старшей степени оператора s имеют индекс ноль, а не n, как это принято в настоящей работе. Такое обозначение было принято в связи с физической реализацией коэффициентов snan , где n указывает на минимальное число реактивных элементов, формирующих коэффициент an при однородной записи числителя и знаменателя функции K(s).

3 сравнение двух лексикографически упорядоченных векторов осуществляют по принципу первого различия (как слова упорядочены в словаре). Например, , если для некоторого k выполняется

4 На самом деле это был мультиграф, а не граф.

5 граф с петлёй называют уже мультиграфом.

6 Неразделимый граф – граф связный, непустой, не содержащий вершин сочленения . Вершина сочленения графа – вершина, удаление которой увеличивает число компонент графа. Мост – ребро графа с такими же свойствами.

7 сравнение двух лексикографически упорядоченных векторов осуществляют по принципу первого различия (как слова упорядочены в словаре). Например, , если для некоторого k выполняется нет ли раньше

228