3.2 Элементы эмиттерно-связанной логики (эсл).

Основным отличительным признаком элементов ЭСЛ является использование переключателя тока, транзисторы которого работают в активном режиме. Исключение режима насыщения и связанной с ним задержки рассасывания обеспечивает более высокое быстродействие элементов ЭСЛ по сравнению с элементами ТТЛ. Схема переключателя тока приведена на рис.3.9. Она состоит из двух одинаковых ветвей, содержащих входной VT_вх и опорный транзисторы, в коллекторных цепях которых включены резисторы R_к. На базу опорного транзистора подано постоянное опорное напряжение отрицательной полярности –U_оп. Заданный ток I_э протекает через одну из ветвей схемы в зависимости от напряжения на входе.

П

Рис.3.9 Схема переключателя тока

ри U_вх= -U_оп оба транзистора открыты и работают в активном ржиме, их эмиттерные токи одинаковы и равны 0,5I_э. Напряжения на эмиттере U_э= -U_оп – U^”_БЭ, где U^”_БЭ – прямое напряжение на эмиттерном переходе, равное 0,6 … 0,7 В при Т= 25 ^оС. в активном режиме коллекторный ток существенно зависит от напряжения U^”_БЭ: I_К = I_Э0 exp(U_БЭ/_т). Согласно этой формуле изменение напряжения U_БЭ на 2,3_т приводят к изменению тока на порядок. Если напряжения на входе понизить на U = 2,3 _т (на 60 мВ при Т = 25 ^оС), то коллекторный ток выходного транзистора станет значительно меньше тока опорного транзистора. При этом напряжение на выходе 1 будет соответствовать напряжению высокого уровня U¹ = - R_кI¹_вых, где I¹_вых – выходной ток, вытекающий из этого выхода в нагрузку при U_вых1 = U¹. Коллекторный ток опорного транзистора I_К  I_Э  I_Э. Этот ток создает на резисторе R_к падение напряжения, приблизительно равное R_кI_э. Поэтому напряжение на втором выходе соответствует напряжению низкого уровня U⁰  -R_КI_Э.

При повышении входного напряжения до U_вх = -U_оп + U увеличиваются коллекторный ток входного транзистора (приблизительно до I_Э), напряжение на эмиттерах и уменьшается коллекторный ток опорного транзистора (I_Коп << I_Э). Следовательно, ток I_Э переключается в цепь входного транзистора, напряжение на выходе 1 понижается до уровня U⁰, а на выходе 2 повышается до уровня U¹. Выход 1, на котором появляется логический сигнал А, называется инверсным, а выход 2 – прямым. Таким образом, для переключения тока достаточно изменить входное напряжение на 2U = 4,6 _т  0,12 В относительно среднего уровня U_вх = - U_оп.

Для исключения режима насыщения транзисторов необходимо ограничить входное напряжение. На границе насыщения U_БК = 0, отсюда получаем условие предотвращения режима насыщения: U_вх = U¹ U_К = U⁰, т.е. U¹ < U⁰ , что невозможно. Следовательно, непосредственное последовательное соединение переключателей тока для полного исключения режима насыщение недопустимо и нужны дополнительные согласующие схемы, предотвращающие режим насыщения, - схемы смещения уровня.

Известно, что условие U_БК < 0 не является строго обязательным. Можно допустить небольшое прямое напряжение на коллекторном переходе (0,4 … 0,5В), так как при этом еще не происходит заметной инжекции неосновных носителей. Такой режим работы характерен, например, для транзистора с диодом Шотки.

У казанный режим используют в простейших элементах ЭСЛ, называемых элементами малосигнальной эмиттерно-связанной логики (МЭСЛ). Эти элементы применяют во внутренних цепях СИС или БИС. Схема элемента МЭСЛ приведена на рис.3.10. В отличие от рассмотренного выше переключателя тока она содержит два входных транзистора VT_вх1 и VT_вх2; роль генератора тока играет токозадающий резистор R_э. Число входных транзисторов может быть и больше двух. Эмиттеры всех транзисторов соединены в одной точке, что отражено в названии: эмиттерно-связанная логика. Схема имеет два выхода. На инверсном выходе 1 реализуется логическая функция ИЛИ – НЕ: F₁ = A + B, на прямом выходе 2 – функция ИЛИ: F₂ = A + B.

Передаточные характеристики элемента МЭСЛ для инверсного 1 и прямого 2 выходов показаны на рис.3.11. Поскольку напряжение источника питания U_и.п. и опорное напряжение U_оп отрицательной полярности, то входное и выходное напряжения также отрицательны. При напряжениях U_вх = U⁰ < - U_оп входные транзисторы закрыты, а опорный – открыт. Напряжение на инверсном выходе равно U¹. Значение U¹ определяется падением напряжения на резисторе в коллекторной цепи опорного транзистора при протекании выходного тока I¹_вых в нагрузке:

U¹ = - I¹_выхR_К = -nI_ЭR_К/(+1) (3.4)

где  - коэффициент передачи входного транзистора следующего ЛЭ.

Это напряжение снижается с ростом числа нагрузок n, что ограничивает нагрузочную способность в состоянии U_вых = U¹. Поскольку опорный транзистор открыт и в его коллекторной цепи протекает ток I_k I_э =(U_п.п – U_оп – U _БЭ)/R_э, то напряжение на прямом выходе

U⁰_вых2  -(U_п.п – U_оп – U _БЭ)R_к/R_э (3.5)

При напряжении U_вх = U¹ на одном или нескольких входах соответствующие входные транзисторы открыты, а опорный транзистор закрыт. На инверсном выходе U_вых1 = U⁰_вых1 где

U⁰_вых1  -I_э R_э = -(U_п.п – U¹_вх – U¹ _БЭ)R_к/R_э, (3.6)

т.е. напряжение низкого уровня на инверсном выходе уменьшается при росте входного напряжения (рис.3.11), поскольку увеличивается ток I_э. При этом на прямом выходе U_вых1 =U⁰_вых1, где U¹ определяется соотношением (3.4).

Для элементов МЭСЛ характерен малый логический перепад U_л = 0,3 ... 0,5 В. Средний порог переключения получают из условия U_пор = -U_оп = -0,5U_л. Опорное напряжение задают от специальной схемы, размещаемой на том же кристалле и используемой для многих ЛЭ. В этой схеме предусматривают компенсацию изменений напряжений эмиттер-база входных и опорного транзисторов.

Особенность применения элементов МЭСЛ – использование отрицательного напряжения питания. При этом согласно (3.5) и (3.6) значительно (в R_э/R_к раз) ослабляется влияние изменений напряжения U_и.п на уровни напряжений U⁰ и U¹, что особенно важно для элементов с малым логическим перепадом.

Вследствие малого логического перепада элементы МЭСЛ имеют сравнительно низкую помехоустойчивость. При температуре 25⁰ С и номинальном напряжение питания типичные значения U⁰_п  U¹_п  100 ... 150 мВ, а в рабочих диапазонах температур и напряжений питания они уменьшаются до U⁰_п  U¹_п  40 ... 50 мВ. Нагрузочная способность, как отмечалось выше, ограниченна понижением напряжения U¹ (см. Формулу 3.4) при росте тока нагрузки: n = 4 ... 5. Типичные значения напряжения питания –(2...3) В.

Потребляемая мощность практически одинакова для обоих состояний ЛЭ, поскольку ток I_э почти не изменяется при переключении:

P_ср = U_и.пI_Э = U_п.п (U_п.п – U_оп – U¹ _БЭ)/R_э  U_и.пU_л/R_к (3.7)

Рассмотрим переходные процессы при переключении элемента МЭСЛ. Пусть в исходном состоянии входные транзисторы закрыты, а опорный – открыт. При поступлении на вход импульса положительной полярности (см.рис.1.10) входные транзисторы открываются с некоторой задержкой. Первым этапом переходного процесса, как и простейшем ключе, будет повышение напряжения на эмиттерном переходе входного транзистора до порога его отпирания, при этом заряжается входная емкость С_вх. Длительность первого этапа при условии, что источник входного сигнала имеет очень малое внутреннее сопротивление, можно определить по формуле:

t^1.0_зд1 = 0.7r^`_бС_вх, (3.8)

где r^`_б – сопротивление базы; С_вх = С_{э, бар}+С_к,бар; С_{э, бар} и С_к,бар – усредненные барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов. С учетом конечного выходного сопротивления источника входного сигнала задержка будет больше.

Вследствие сверхвысокого быстродействия элементов МЭСЛ при оценке задержки включения следует учитывать даже столь малую величину, как время пролета _пр. Длительность второго этапа

t^1.0_зд2 = _пр = 1/f_гр, (3.9)

где f_гр – граничная частота транзистора.

Далее коллекторный ток входного транзистора быстро возрастает, а выходное напряжение на инверсном выходе снижается по закону U_вых1 = -U_л [1-exp(-t/_к)], где _к=R_кС_вых1. Эквивалентная емкость на инверсном выходе С_вых1 состоит из суммы барьерных емкостей коллекторных переходов входных транзисторов и резистора R_к, паразитных емкостей металлических соединений и емкости нагрузки, пропорциональной числу нагрузок. Время перехода выходного напряжения, отсчитываемое по уровням 0,9U_л и 0,1U_л.

t^1.0 =2.2_к. (3.10)

По окончании импульса коллекторные токи входных транзисторов быстро уменьшаться до нуля за время порядка _пр. Затем напряжение на инверсном выходе начнет повышаться по мере заряда эквивалентной выходной емкости током, задаваемым резистором R_к. Время перехода t^о,1 также определяется формулой (3.10).

Схема элемента МЭСЛ симметрична, поэтому напряжение на прямом выходе при переключении изменяется так же, как и на инверсном, но в противофазе.

Для повышения быстродействия элементов МЭСЛ необходимо уменьшать барьерные емкости p-n переходов, паразитные емкости проводников, сопротивление базы, ограничивать число нагрузок и увеличивать граничную частоту транзисторов. Все это достигается совершенствованием конструкции и технологии изготовления микросхем. Уменьшение сопротивления R_к ограничено увеличением потребляемой мощности.

Элементы МЭСЛ используют в сверхбыстродействующих БИС, где обеспечиваются малые уровни помех и паразитные емкости. При относительно большой емкости нагрузки (С_н 10 пФ) и (или) большом числе нагрузок (n 10) в сверхбыстродействующих цифровых микросхемах применяют более сложные элементы ЭСЛ. Схема такого элемента ЭСЛ приведена на рис. 3.12. Она содержит дополнительно два выходных эмиттерных повторителя на транзисторах VT_э.п и резисторах R_э.п. В остальном эта схема совпадает со схемой элемента МЭСЛ и выполняет те же логические функции.

Выход 1 – инверсный, на нем реализуется функция ИЛИ-НЕ F₁=А+В, выход 2 - прямой ему соответствует логическая функция ИЛИ F₂=А+В.

Принципы работы элементов ЭСЛ и МЭСЛ аналогичны, однако их основные параметры заметно различаются. Благодаря использованию эмиттерных повторитель и большему напряжению питания (U_и.п= - 5В) элементы ЭСЛ по сравнению с элементами МЭСЛ имеют больший логический перепад, помехоустойчивость, нагрузочную способность, допустимую емкость нагрузки, потребляемую мощность, среднюю задержку и площадь, занимаемую на кристалле.

Передаточные характеристики элемента ЭСЛ при Т= 25 С для инверного1 и прямого 2 выходов представлены на рис. 3.13. Эмиттерные повторители, во-первых, выполняют функцию согласующих схем смещения уровня выходного напряжения, предотвращающих режим насыщения входных транзисторов последующих ЛЭ. Действительно, выходные напряжения U¹ элемента ЭСЛ (рис.

Рис. 3.12

Рис. 3.13

3.13) оказываются ниже выходных напряжений U¹ элемента МЭСЛ (см. рис. 3.11) на величину прямого напряжения U_БЭ на эмиттерных переходах транзисторов VT_Э.П (см. рис. 3.12).

Во-вторых, эмиттерные повторители ослабляют зависимость уровня напряжения U¹ от числа нагрузок. С ростом числа нагрузок увеличивается выходной ток, а уровень U¹ понижается вследствие увеличения падения напряжения на резисторе R_к. Однако базовый ток транзистора VT_Э.П, протекающий через этот резистор, в  + 1 раз меньше выходного тока. Поэтому нагрузочная способность элементов ЭСЛ значительно выше, чем элементов МЭСЛ: n= 10....20.

В-третьих, эмиттерные повторители позволяют увеличить логический перепад ( до U_л=0,8В при Т=2 С), что невозможно в элементах МЭСЛ из-за перехода входных транзисторов в режим глубокого насыщения. Благодаря большему логическому перепаду возрастает помехоустойчивость до U_n⁰ U_n¹ 300 мВ при Т=25 С и номинальном напряжении питания и U_n⁰ U_n¹ 100...200мВ в рабочих диапазонах температур и напряжения питания.

Наряду с этим мощность, потребляемая элементом ЭСЛ, в 3...5 раз выше, чем МЭСЛ, так как дополнительная мощность потребляется эмиттерными повторителями и элемент ЭСЛ используется при большем напряжении питания U_и.п= -(4...5) В. Для уменьшения потребляемой мощности эмиттерные повторители могут подключаться к источнику питания с меньшим напряжением, например – 2 В. При заданной мощности элемента ЭСЛ можно перераспределять ее между переключателем тока Р_п.т. и эмиттерными повторителями Р_э.п., изменяя отношения сопротивлений R_к/ R_э.п.. при этом, как показывают расчеты и измерения, существуют оптимальные отношения указанных сопротивлений (R_к/ R_э.п )_опт=(0,1...0,15) и мощностей (Р_п.т./Р_э.п.)опт 2 , при которых обеспечивается наименьшая средняя задержка. Здесь С₁ – емкость между базой транзистора и общей шиной, С₂ – выходная емкость ЛЭ.

Вследствие больших значений потребляемой мощности и площади, занимаемой на кристалле, элементы ЭСЛ с эмиттерными повторителями применяются в сверхбыстродействующих цифровых микросхемах малой и средней степеней интеграции. При потребляемой мощности Р_ср=10...20 мВт эти элементы ЭСЛ имеют t _зд.ср=0,5...1 нс.