Схемотехнические и конструктивно-технологические особенности логических микросхем различных серий.

В цифровой электронике наибольшее распространение получили потенциальные логические элементы, управляемые сигналами двух уровней ( и ). Эти элементы обладают достаточной надежностью, высокой помехоустойчивостью и хорошо приспособлены для изготовления способами интегральной технологии. Базовый логический элемент (например, И—НЕ) состоит в этом случае из двух компонентов: элемента, реализующего логическое умножение (схемы совпадения), и потенциального инвертора. При этом предусматривается возможность подключения к инвертору нескольких схем совпадения для реализации функции ИЛИ. Дополнительные электроды, предназначенные для подключения к логическому элементу других однотипных устройств, называют в логике расширительными.

В зависимости от схемотехнических и конструктивно-технологических особенностей микросхем различают следующие их типы.

1. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) универсального типа (рис. 13.4) основана на использовании многоэмиттерного интегрального транзистора VT1, который допускает раздельное управление общей для всех эмиттеров коллекторной цепью. Если на все эмиттеры прибора подавать сигналы, соответствующие логической 1, то коллекторный переход транзистора VT1 оказывается смещенным в прямом направлении и на выходе инвертора, выполненного на транзисторе VT2, получают 0. Наоборот, при подаче хотя бы на один эмиттер 0 наблюдается насыщение многоэмиттерного транзистора VT1 и на выходе инвертора формируется 1. Таким образом, микросхемы ТТЛ реализуют положительную потенциальную логику, при которой нулевой уровень обеспечивается напряжением U⁰≤0.4B, а единичный U¹≥2.4B.

Рис. 13.4. Упрощенная принципиальная электрическая схема базового логического элемента 2И— НЕ серии ТТЛ

Удовлетворительное быстродействие, высокая помехоустойчивость и принципиальная совместимость с микросхемами большинства типов (табл. 13.4) являются достоинствами ТТЛ. Однако значительная потребляемая мощность и малая критичность к перегрузкам требуют применения для питания таких микросхем относительно мощных и стабилизированных источников.

Таблица 13.4 Основные показатели некоторых логических микросхем

2. Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки (ТТЛШ) может быть отнесена к разновидности ТТЛ. Здесь для повышения быстродействия транзисторы используют в ненасыщенном режиме, для чего их коллекторные переходы шунтируют диодами Шотки. В импульсном режиме эти диоды открываются раньше коллекторных р-n-переходов, существенно ускоряя процессы рассасывания неосновных носителей. Этим и обеспечивается значительно большее быстродействие микросхем с ТТЛШ по сравнению с ТТЛ (см. табл. 13.4).

3. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), основанная на применении переключателя тока на транзисторах VT1, VT2, VT3 (рис. 13.5), относится к типу сверхскоростной. Высокое быстродействие микросхемы (малое время задержки распространения t_з) достигается использованием ненасыщенного режима работы транзисторов, снижением разности уровней напряжений U⁰ и U¹ (логического перепада - разностью единичного и нулевого уровней напряжений) и применением на выходе эмиттерного повторителя (транзистор VT4), ускоряющего процессы переключения. Несмотря на отрицательную полярность напряжения питания, в элементе реализуется положительная логика. Недостатками микросхем ЭСЛ являются меньшая в сравнении с ТТЛ-схемами помехозащищенность и большая потребляемая мощность (см. табл. 13.4).

Рис. 13.5. Упрощенная принципиальная электрическая схема базового логического элемента 2ИЛИ— НЕ серии ЭСЛ

Рис. 13.6. Схемы включения полевых транзисторов в НСТЛ логике на n-канальных приборах при реализации логических операций И—НЕ (а) и ИЛИ—НЕ (б) и накомплементарных приборах при реализации логической операции НЕ (в)

4. Транзисторная логика с непосредственной связью (НСТЛ), реализуемая на полевых транзисторах двух типов: металл—оксид— полупроводник (МОП) или металл—нитридоксид—полупроводник (МНОП), — является экономичной. В зависимости от типа полевых транзисторов, используемых в микросхемах этой логики, различают три их разновидности: р-МОП — на р-канальных приборах; n-МОП — на n-канальных транзисторах; КМОП — на комплементарных структурах, состоящих из попарно включенных идентичных транзисторов с различными (р и п) проводимостями каналов.

Микросхемы этой логики, как правило, реализуют логические операции И—НЕ и ИЛИ—НЕ аналогично рассмотренным в § 13.2 контактным цепям (см. табл. 13.3). Так, для реализации логической операции И—НЕ в усилительной цепи последовательно включаются три полевых транзистора (рис. 13.6, а). При этом один из них (в данном случае VT1) используется в качестве токозадающего элемента, выполняющего роль нагрузочного резистора с сопротивлением R_С (рис. 11.9, а) в цепи стока транзистора VT2. Для появления на выходе сигнала низкого уровня, соответствующего логическому нулю (y_ш=0), необходимо, чтобы оба транзистора VT2 и VT3 были открыты, т. е. на затворы этих транзисторов должен быть подан сигнал высокого уровня, соответствующего логической 1 (x₁=x₂=1). Если хотя бы один из транзисторов (VT2 или VT3) заперт, что соответствует сигналу низкого уровня (логическому 0) на его входе (затворе), значение выходного сигнала усилительной цепи будет близко U_п (логической 1), т.е. y_ш=1.

Для реализации логической операции ИЛИ—НЕ токозадающий транзистор VT1 включают последовательно с двумя параллельно соединенными транзисторами VT2 и VT3 (рис. 13.6, б). Если хотя бы один из транзисторов VT2 или VT3 открыт, что соответствует наличию на его входе (затворе) сигнала высокого уровня (логической 1), то выходной сигнал будет низкого уровня (логический 0). Значение его примерно равно напряжению U_СИ открытого транзистора, работающего в режиме насыщения.

В случае применения полевых транзисторов с каналами различного типа (рис. 13.6, в) при подаче на вход (затвор) сигнала, соответствующего логическим 0 или 1, будет открыт только один из транзисторов, что значительно снижает потребляемую цепью мощность. Из сравнения усилительных цепей, приведенных на рис. 13.6, в и рис. 9 в табл. 13.2, очевидна их аналогия в электронной реализации логической операции НЕ.

Микросхемы на МОП-структурах, особенно типа КМОП, отличаются конструктивной простотой исполнения (например, схемы инверторов, приведенные на рис. 13.6), высокой помехоустойчивостью и чрезвычайно малой потребляемой мощностью.

5. Интегрально-инжекционная логика (И2Л) относится к типу биполярной, так как в ней используются многоколлекторные биполярные транзисторы (VT2) (рис. 13.7), которые в этом случае имеют большую плотность монтажа, малую потребляемую мощность и т. п. Вместе с тем в И2Л удается сохранить высокое быстродействие биполярных транзисторов при малых мощностях рассеяния. Схемотехнические принципы, положенные в основу разработки микросхем на И2Л, приводят к следующим результатам: исключение резисторов позволяет снизить потребляемую мощность; применение специальных инжектирующих устройств (дополнительных р-n-р-транзисторов — VT1), используемых в режиме генераторов тока, обеспечивает высокое быстродействие (исключение накоплений заряда, уменьшение паразитных емкостей); размещение логических элементов вдоль инжекционных шин упрощает топологию микросхем. К отличительным особенностям микросхем на И2Л следует отнести питание от источника тока I_п и возможность объединения в одном кристалле аналоговой и цифровой интегральных схем.

Рис. 13.7. Принципиальная электрическая схема элемента И2Л

Для конкретизации схемотехнических и технологических особенностей логических микросхем, применяемых в современных электронных устройствах, в табл. 13.5 приведены их усредненные показатели.

Таблица 13.5 Усредненные показатели для микросхем с различными