1.6. Семейства биполярных цифровых ис

По схемотехнической реализации основных логических функций цифровые ИС на биполярных транзисторах подразделяются на следующие группы: 1) транзисторные с непосредственной связью – транзисторная логика с непосредственными связями между логическими элементами (ТЛНС);

2) транзисторные с резистивной связью – резистивно-транзисторная логика (РТЛ);

3) транзисторные с резистивно-емкостной связью – резистивно-емкостная транзисторная логика (РЕТЛ);

4) диодно-транзисторные – диодно-транзисторная логика (ДТЛ); 5) транзисторно-транзисторные – транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

6) транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ); 7) транзисторные с эмиттерными связями (токовые ключи, переключатели тока) – эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

8) инжекционные – интегральная инжекционная логика (И²Л). Каждому типу основных логических схем, реализующих функции И – НЕ или ИЛИ – НЕ, присуща определенная комбинация положительных и отрицательных свойств. Рассмотрим основные свойства этих логических схем в том порядке, в каком схемотехнические структуры разных типов воплощались в виде биполярных ИС.

1.6.1. Транзисторные ИС с непосредственной связью

Семейство ТЛНС является одним из первых схемотехнических направлений. На рис. 1.9 приведены логические схемы этого типа, реализующие соответственно функции И – НЕ (только поданные одновременно входные сигналы логической «1» будут инвертированы на выходе) и ИЛИ – НЕ (любой из входных сигналов логической «1» будет инвертирован на выходе).

Не вдаваясь досконально в особенности функционирования этих схем, отметим, что ключом к пониманию их работы являются следующие причинно-следственные связи. Входной сигнал логического «0» (низкий уровень положительного напряжения), поданный на базу соответствующего транзистора, способствует переводу его в режим отсечки (большое сопротивление эмиттер – коллектор). Входной сигнал логической «1» (высокий уровень положительного напряжения), поданный на базу соответствующего транзистора, переводит его в режим насыщения (малое сопротивление эмиттер – коллектор).

Напомним также, что в зависимости от величины и полярности напряжений, приложенных к p-n-переходам транзистора, различают четыре режима его работы. Режим отсечки (оба перехода смещены в обратном направлении) – транзистор закрыт. Режим насыщения (оба перехода смещены в прямом направлении) – транзистор открыт и насыщен. Активный режим (эмиттерный p-n-переход смещен в прямом, а коллекторный – в обратном направлении) – транзистор открыт, но не насыщен. Инверсный режим идентичен активному, но с взаимной переменой мест эмиттера и коллектора.

В схеме И – НЕ (рис. 1.9, а) транзисторы, на которые подаются входные логические сигналы, включены последовательно, поэтому пока хотя бы один из них находится в режиме отсечки, выходной сигнал схемы соответствует уровню логической «1». Если же сигналы логической «1» поданы на все входы, то все транзисторы переходят в режим насыщения, и выходное напряжение, снимаемое с малого суммарного сопротивления эмиттер – коллектор трех транзисторов, снижается до уровня логического «0».

Аналогичные рассуждения касательно схемы ИЛИ – НЕ (рис. 1.9, б) приводят к выводу, что только в том случае, когда на все ее входы поданы сигналы логического «0», на выходе будет сниматься сигнал логической «1». Во всех же других случаях хотя бы один из транзисторов перейдет в режим насыщения, и своим малым сопротивлением эмиттер – коллектор зашунтирует структуру из параллельно включенных транзисторов, способствуя переключению выходного сигнала в состояние логического «0».

Достоинства семейства ТЛНС – простота (используется только два типа элементов – транзисторы и резисторы), малая потребляемая мощность и высокое быстродействие, а также высокий коэффициент объединения по входу, под которым понимается максимальное число логических входов функционального элемента ИС (m≥8). Недостаток – влияние на параметры ТЛНС разброса входных характеристик транзисторов. Поэтому ТЛНС не обеспечивает высокой нагрузочной способности (максимальное число входов других ИС, которые можно одновременно подключить к ее выходу без искажения передачи информации, n≤4) и имеет низкую помехоустойчивость (максимально допустимое напряжение статической помехи U_п = 0,1 – 0,15 В).

1.6.2. Транзисторные ИС с резистивной связью

Дальнейшее улучшение характеристик цифровых ИС связано с созданием микросхем, имеющих компенсированные связи между элементами. В семействе РТЛ (рис. 1.10) разброс входных сопротивлений транзисторов компенсируется включением резисторов в их базовые цепи. Это позволяет повысить помехоустойчивость, существенно снизить рабочие токи, обеспечить более высокие значения коэффициентов n и m (n≥4, m≥8). Однако в схемах РТЛ значительно снижено быстродействие.

1.6.3. Транзисторные ИС с резистивно-емкостной связью

Для повышения быстродействия схем РТЛ параллельно базовым резисторам включают форсирующие конденсаторы (эффект ускорения реализуется за счет «короткого замыкания», которое представляют собой конденсаторы входным перепадам напряжения в начальный момент времени). В результате получается логическая схема РЕТЛ (рис 1.11). Предельное быстродействие схем этого семейства заведомо выше РТЛ при сохранении параметров n и m на прежнем уровне. Схемы РЕТЛ просты и экономичны, допускают большие разбросы номиналов элементов и напряжений питания. Однако ввиду большой площади, занимаемой конденсаторами, ИС на основе РЕТЛ не совсем удобны для реализации в полупроводниковом исполнении.

1.6.4. Диодно-транзисторные ИС

Многие трудности, связанные с применением транзисторных схем с непосредственными, резистивными и резистивно-емкостными связями (неравномерное распределение токов во входных цепях, низкая помехоустойчивость, малое быстродействие и др.), можно устранить, если во входную цепь логического элемента включить диоды. При этом получается схема ДТЛ, с помощью которой в зависимости от включения и питания диодов можно реализовать функции И – НЕ или ИЛИ – НЕ. Семейство схем ДТЛ универсально и имеет относительно низкую стоимость. В них удачно сочетаются такие важные параметры, как быстродействие, потребляемая мощность и помехоустойчивость.

Простейшая схема ДТЛ, реализующая функцию И – НЕ, представлена на рис. 1.12. Схема содержит m (в данном случае m=4) входных диодов, которые вместе с резистором R1 реализуют функцию И (только когда на всех входах действуют сигналы логической «1», все входные диоды заперты, и на базу транзистора VT поступает сигнал высокого уровня, переключая его в режим насыщения). Смещающие диоды VD5, VD6 за счет наличия прямых падений напряжения на них увеличивают порог запирания схемы, а, следовательно, и ее помехоустойчивость. Тем самым предотвращается возможное влияние прямых падений напряжения на входных диодах на переключение транзистора. Простой инвертор на транзисторе VT выполняет логическую функцию НЕ и усиление сигнала.

Необходимым элементом схемы является резистор R2, который в закрытом состоянии инвертора задает ток через смещающие диоды. При подключении к резистору R2 отдельного источника питания увеличиваются быстродействие и порог запирания схемы. Поскольку элементарные логические операции И (ИЛИ) и НЕ осуществляются различными элементами схемы ДТЛ, легко увеличить число входов путем добавления входных диодов. В этом одно из преимуществ схем ДТЛ по сравнению со схемами ТЛНС, РТЛ и РЕТЛ. Дальнейшее совершенствование схем ДТЛ идет по пути сокращения потребляемой мощности и усложнения инвертора с целью повышения нагрузочной способности.

1.6.5. Транзисторно-транзисторные ИС

В семействе схем ТТЛ, по принципу построения, а также по важнейшим параметрам близкому к семейству ДТЛ, во входных цепях используются многоэмиттерные транзисторы (рис. 1.13, 1.14) – интегральные элементы, объединяющие свойства диодных логических схем и транзисторного усилителя. Эмиттерные переходы многоэмиттерного транзистора выполняют функцию, аналогичную функции диодов в схемах ДТЛ, а коллекторный переход играет роль смещающего диода.

Многоэмиттерный транзистор – специфичный интегральный полупроводниковый прибор, представляющий собой совокупность транзисторных структур, имеющих раздельные эмиттеры, но общие базу и коллектор и непосредственно взаимодействующих друг с другом за счет движения основных носителей заряда. Схемы ТТЛ отличаются высоким быстродействием и малой потребляемой мощностью.

Схема И – НЕ ТТЛ с простым (однотактным) инвертором (рис. 1.13) имеет низкую помехоустойчивость, малые нагрузочную способность и быстродействие при работе на емкостную нагрузку, потребляющую в моменты переключения выходного сигнала значимые токи. С развитием и совершенствованием технологии базовым для семейства ТТЛ стал сложный двухтактный (парафазный) инвертор (рис. 1.14). Если на всех входах этой схемы действуют сигналы логической «1», то весь текущий через резистор R1 ток подается в базу транзистора VT2, который открывается и переходит в режим насыщения. Эмиттерный ток транзистора VT2 втекает в базу транзистора VT4, удерживая в режиме насыщения и его. Транзистор же VT3 переходит в режим отсечки, так как на его переходе база – эмиттер действует напряжение, недостаточное для открывания. Диод VD за счет прямого падения напряжения на нем обеспечивает смещение напряжения открывания транзистора VT3 и надежное закрывание его при сигнале логического «0» на выходе.

Если хотя бы на одном из входов схемы (рис. 1.14) действует сигнал логического «0», то ток резистора R1 полностью переключается во входную цепь, а транзисторы VT2 и VT4 закрываются, формируя на выходе сигнал логической «1». Транзистор VT3 работает в режиме эмиттерного повторителя, на вход которого подается ток через резистор R2, а эмиттерный ток транзистора VT3 питает нагрузку.

Повышение нагрузочной способности схемы со сложным инвертором при сигнале логического «0» на выходе связано с тем, что выходной транзистор VT4, через который замыкается ток нагрузки, удерживается в открытом состоянии большим базовым током, обеспечиваемым эмиттерной цепью транзистора VT2. Когда же на выходе анализируемой схемы действует сигнал логической «1», то в нагрузку подается эмиттерный ток транзистора VT3, работающего в схеме эмиттерного повторителя.

Так как выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало, то выходное напряжение схемы в целом слабее зависит от тока нагрузки, в силу чего допустимы большие значения нагрузочного тока (n≥10). В схеме же с простым инвертором (рис. 1.13) при сигнале логической «1» на выходе ток в нагрузку подается от источника питания через коллекторный резистор R2 с большим сопротивлением. Этот резистор ограничивает максимальное значение тока нагрузки, поскольку с ростом последнего увеличивается падение напряжения на R2, уменьшая тем самым напряжение на выходе, что допустимо лишь в определенных пределах.

Как правило, в состав серий ТТЛ включается схема с открытым коллекторным выходом (рис. 1.15), позволяющая достаточно просто управлять элементами индикации и без дополнительных аппаратурных затрат реализовывать логическую операцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ. Схемы семейства ТТЛ в настоящее время наиболее распространены. Они реализуются методами полупроводниковой технологии и имеют малую площадь, занимаемую элементами.

1.6.6. Транзисторно-транзисторные ИС с диодами Шоттки

Разновидностью схем ТТЛ являются схемы ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ). Эти схемы имеют высокое быстродействие благодаря тому, что параллельно переходам база – коллектор всех транзисторов включены диоды Шоттки, используемые в качестве ограничивающих диодов (рис. 1.5). Поскольку эти диоды имеют меньшее прямое падение напряжения, чем переходы база – коллектор, излишние управляющие токи базы при открывании транзисторов отводятся через диоды. Это предотвращает вхождение транзисторов в режим насыщения и накопление в области их баз избыточных носителей заряда, что резко ускоряет переходные процессы при переключении транзисторов.

В данных схемах все входные транзисторы ТТЛ также имеют фиксирующие диоды Шоттки, подключаемые катодами ко входным шинам, а анодами – к земляной шине, вместо p-n-переходов, которые с целью повышения помехоустойчивости используются в обычных схемах ТТЛ. Более низкое прямое падение напряжения диодов Шоттки дает лучшую защиту как против отпирающих, так и против запирающих помех. Схемы ТТЛШ работают при тех же уровнях сигналов и питающих напряжениях, что и обычные схемы ТТЛ, что обеспечивает возможность их непосредственной стыковки между собой, а также с ИС семейства ДТЛ.

1.6.7. Транзисторные ИС с эмиттерными связями

Для построения РЭС повышенного быстродействия наиболее перспективны ИС на переключателях тока, так называемое семейство схем ЭСЛ. Основная логическая схема ЭСЛ, представленная на рис. 1.16, состоит из двух частей: переключателя тока (дифференциального усилителя) на транзисторах VT1 - VT3 и VT4 и эмиттерных повторителей на транзисторах VT5 и VT6. На базу транзистора VT4 постоянно подается формируемое внутри схемы опорное напряжение E_оп, равное среднему арифметическому уровней логических «0» и «1».

Если на базу хотя бы одного из входных транзисторов подан сигнал логической «1», то он открывается, и его эмиттерный ток создает на общем резисторе R2 существенное падение напряжения. Это падение напряжения, «подпирая» эмиттер транзистора VT4, приводит к тому, что разности потенциалов на его переходе база – эмиттер оказывается недостаточно для открывания транзистора VT4. Таким образом, открытое состояние любого из транзисторов VT1 - VT3 или их всех вместе приводит к закрытому состоянию транзистора VT4.

Если же на всех входах схемы действуют сигналы логического «0», то оказывается открытым транзистор VT4 (из всех транзисторов, эмиттеры которых объединены, открывается тот, на базе которого действует более высокое напряжение). Напряжения с объединенных коллекторов транзисторов VT1 - VT3 и с коллектора транзистора VT4 без логических модификаций передаются на выходы схемы через эмиттерные повторители, называемые также трансформаторами сопротивления. Они обеспечивают высокую нагрузочную способность семейства схем ЭСЛ, играя роль усилителей мощности.

На выходе 2 образуется напряжение логического «0» при открытом транзисторе VT4, то есть в случае когда на всех входах схемы действуют сигналы логического «0». При любой другой комбинации значений входных сигналов транзистор VT4 закрыт, и на выходе 2 образуется напряжение логической «1». Из этого следует, что на выходе 2 формируется дизъюнкция (логическая операция ИЛИ) входных переменных. Из аналогичного анализа для выхода 1 следует, что на нем формируется логическая операция ИЛИ – НЕ.

ИС ЭСЛ относятся к наиболее быстродействующим ЦИС, имеют высокую нагрузочную способность (n может достигать 100), но одновременно характеризуются относительно высокой потребляемой мощностью. Высокое быстродействие ИС ЭСЛ (малое среднее время задержки распространения сигнала) обеспечивается следующими факторами. Открытые транзисторы находятся в активном режиме, а не в режиме насыщения, в результате чего при их переключении не требуется дополнительное время для рассасывания избыточных носителей заряда. Применение эмиттерных повторителей на выходах ИС обеспечивает ускорение процессов перезаряда конденсаторов, входящих в состав нагрузок. Наконец, небольшим является перепад логических уровней «0» и «1» (~ 0,7 – 0,8 В), что, впрочем, приводит к сравнительно низкой помехоустойчивости ИС ЭСЛ.

1.6.8. Инжекционные ИС

Логические ИС с инжекционным питанием (интегральная инжекционная логика – И²Л) представляют собой микросхемы на биполярных транзисторах, в которых электрическая энергия, необходимая для преобразования сигналов, вводится инжекцией неосновных неравновесных носителей заряда. В ключах (вентилях) таких ИС (рис. 1.17, а) используются транзистор VT1 типа p-n-p и многоколлекторный транзистор VT2 типа n-p-n⁺ в инверсном включении. В инжекционном режиме ток питания схемы задается прямым смещением эмиттерного перехода транзистора VT1.

Структура И²Л – ключа (рис. 1.17, б) содержит горизонтальный транзистор типа p-n-p с инжекторной p-областью и вертикальный транзистор типа n-p-n⁺. Первый транзистор, являющийся источником тока для питания базовой цепи второго транзистора, на эквивалентных схемах обычно замещается генератором тока.

В структуре И²Л – ключа базовая и коллекторная области транзистора типа p-n-p одновременно являются соответственно эмиттерной и базовой областями транзистора типа n-p-n⁺, что позволяет отнести данную структуру к классу так называемых функционально-интегрированных элементов, для которых характерно объединение функционально независимых элементов в одной структурной области. Использование функционально-интегрированных элементов позволяет значительно повысить степень интеграции путем сокращения площади, занимаемой каждым элементом в отдельности, снижению числа контактов, упрощению рисунка металлизации и, наконец, уменьшению суммарной площади изолирующих областей и металлизации.

И²Л – ключ (рис. 1.17, а) работает следующим образом. Если на его входе действует сигнал логического «0» (транзистор другого ключа, с которого снимается этот сигнал, открыт и насыщен), то ток инжекции I_о, создаваемый транзистором VT1, не пройдет в базу транзистора VT2, а замкнется через насыщенный выходной транзистор источника входного сигнала на землю. В результате транзистор VT2 окажется в режиме отсечки, что соответствует логической «1».

Если же на входе И²Л – ключа действует сигнал логической «1» (выходной транзистор источника входного сигнала закрыт), то ток инжекции I_о, пройдя в базу транзистора VT2, откроет его до наступления насыщения. Тем самым будет обеспечен режим короткого замыкания на выходе ключа, что соответствует логическому «0».

Параллельное соединение нескольких И²Л – ключей путем объединения их открытых коллекторов означает реализацию логической операции МОНТАЖНОЕ ИЛИ, в результате чего получается логический элемент ИЛИ – НЕ. Подключение к выходу такого элемента дополнительного И²Л – ключа, т.е. инвертора, позволяет выполнить операцию ИЛИ.

Логический элемент И на базе И²Л – ключей строится в полном соответствии с формулой де Моргана (). Наконец, выполнение транзистораVT2 многоколлекторным позволяет существенно упростить реализацию на базе И²Л – ключей сложных логических функций, характеризующихся, как правило, наличием одной и той же входной переменной в различных частях их выражений.

И²Л – ключи характеризуются малыми геометрическими размерами, исключением из схем резисторов, применением многоколлекторных транзисторов типа n-p-n⁺ и позволяют обходиться без изоляции между активными элементами. Отсутствие резисторов и изолирующих областей дает возможность существенно повысить плотность размещения элементов на кристалле и способствует снижению потребляемой мощности и повышению быстродействия.

Недостатки семейства И²Л – малый перепад между логическими уровнями «0» и «1» (менее 0,5 В), слабая помехоустойчивость и невозможность непосредственного сопряжения с логическими элементами других семейств. Поэтому эти логические схемы находят широкое применение в БИС и СБИС, где они выполняют все функции внутри структуры, а выходы на внешние цепи осуществляются через обычные ТТЛ – элементы, расположенные на одном кристалле с элементами И²Л.

В заключение приведем для сравнения основные технические параметры семейств биполярных цифровых ИС (типовые задержку распространения сигнала и статическую мощность рассеивания на одном логическом элементе), в основном определяющие их выбор на практике: РТЛ и ДТЛ – 10 – 50 нс, 1 – 30 мВт; ТТЛ – 6 – 30 нс, 2 – 20 мВт; ТТЛШ – 3 – 10 нс, 2 – 20 мВт; ЭСЛ – 0,5 – 2 нс, 2 – 25 мВт; И²Л – ≤ 5 нс, < 0,2 мВт.