Микросхемы эмиттерно-связанной транзисторной логики

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики ЭТСЛ представляют собой транзисторные переключательные схемы с объединенными эмиттерами и обладают наибольшими по-сравнению с другими типами микросхем быстродействием и большой потребляемой мощностью. Большое быстродействие обусловлено тем, что в этих ключах биполярные транзисторы работают в ненасыщенном (линейном) режиме. На выходах ключей установлены эмиттерные повторители, ускоряющие процесс перезаряда емкости нагрузки. Уменьшение времени задержки достигается также и за счет уменьшения разности напряжений между лог. «0» и лог. «1», что, однако приводит к снижению помехоустойчивости.

Рассмотрим принцип работы ЭТСЛ на примере базового логического элемента, выполняющего одновременно функции ИЛИ-НЕ и ИЛИ (рис. 4.9).

Схема состоит из дифференциального усилителя на транзисторах VT1…VT3. В этом усилителе при подаче логических уровней на входы Х1, Х2 ток может протекать либо через транзистор VT3 (когда на обеих входах установлено напряжение логического «0» (U =-1,65 В), либо через транзисторы VT1 или VT2 или оба вместе при подаче на

один или оба входа напряжения лог. «1» (U =-0,96 В). Выходные эмиттерные повторители VT5,VT6 подключаются к источнику смещения -2 В через внешние резисторы 50 Ом. Когда закрыт VT3 на выходе Y1 устанавливается напряжение

-0,96 В, соответствующее лог. «1», а на выходе Y – напряжение -1,85 В,

Рис. 4.9. Схема электрическая принципиальная ЭТСЛ элемента ИЛИ-НЕ / ИЛИ

соответствующее лог. «0». Когда VT3 открыт, на выходе Y устанавливается напряжение -0,96 В, соответствующее лог. «1», а на выходе Y1 – напряжение -1,85 В, соответствующее лог. «0». Микросхемы ЭТСЛ при использовании совместно с ТТЛ, или КМОП микросхемами требуют применения специальных преобразователей уровня. Достаточно высокое входное сопротивление ЭТСЛ (~ 50 кОм), и низкое выходное, обуславливают высокий коэффициент разветвления (более 15).

Большая потребляемая мощность, наличие большого числа компонентов в логических элементах ограничивают применение ЭТСЛ в БИС и СБИС.

4.3.4. Инжекционные интегральные логические схемы (И²Л)

Для повышения технологичности изготовления желательно при разработке ИС применять схемотехнические решения, использующие только однотипные элементы, например транзисторы. Этот путь, как было показано ранее, реализован в ИС МДП, что наряду с другими достоинствами является причиной их широкого распространения. Однако, как уже отмечалось, ключ на биполярных транзисторах на сегодняшний день обладает лучшими как ключевыми, так и частотными свойствами. Это является предпосылкой к постоянному поиску новых схемотехнических решений для реализации биполярных ИС. Такой поиск привел к почти одновременной разработке фирмами Philips и IBM элемента интегральной инжекционной логики (И²Л).

В основе И²Л схем лежат дна принципа схемотехники и технологии биполярных схем: 1) совмещение электрически связанных однородных областей полупроводника в кристалле ИС, что приводит к увеличению степени интеграции;

2) отказ от традиционного способа питания цепи базы и коллектора ключевых транзисторов через резисторы.

На рис. 4.10 показана инжекционная структура с дополнительным р — n-переходом. Если база (область р₂) переключающего вертикального транзистора n₂ — р₂ — n₁ -типа расположена вблизи прямосмещенного перехода р₁—n₁, то часть инжектированных данным переходом дырок попадает в область базы р₂. В результате нарушения электронейтральности базы этого транзистора через переход база — эмиттер начинает протекать ток, смещающий этот переход в прямом направлении. Область р₁, введенную для инжекции избыточных носителей, называют инжектором Е. Питание инжектора осуществляется от внешнего генератора тока или от источника напряжения через резистор (один внешний резистор).

Рис. 4.10. Упрощенная топология элемента ИЛ

Рис. 4.11. Эквивалентная схема элемента ИЛ

Данную инжекционную структуру можно представить в виде схемы, содержащей два транзистора: токозадающий горизонтальный р₁—n₁—р₂-типа (включен по схеме с общей базой) и переключающий вертикальный n₂ — p₂—n₁-типа (рис. 4.11, а). Упрощенная эквивалентная схема состоит из транзистора n — p — n-типа и генератора тока I в цепи его базы (рис. 4.11,б). Обычно транзистор n — p — n-типа выполняется с несколькими коллекторами (область n₃ на рис. 4.10).

Когда транзисторы VT1 и VT2 закрыты, транзистор VT3 открыт током инжектора I (сплошная линия прохождения тока на рис. 4.12) и напряжение в узле 2 И²Л

U=U=0,75 В (лог. «1»)

Рис. 4.12. Эквивалентная схема структуры ИЛ

что соответствует уровню логической 1. Если транзистор VT2 откроется, то ток инжектора VT3 переключится в цепь коллектора VT2 (пунктирная линия на рис. 4.12) и транзистор VT3 закроется. В узле 2 будет напряжение насыщения коллектора VT2:

U=U=0,05 В (лог. «0»).

Площадь, приходящаяся на один ЛЭ в схемах в И²Л, приблизительно в 10 раз меньше, чем в схемах ТТЛ. Применение диодов Шотки в схемах И²Л позволяет без увеличения потребляемой мощности получить еще более высокое быстродействие.

Высокое быстродействие элементов И²Л при малой потребляемой мощности объясняется незначительными паразитными емкостями, отсутствием накопления заряда и очень небольшой разницей логических уровней. Типичное время задержки составляет 10 нс, а использование структур ИЛ с диодами Шотки позволяет получить время задержки менее 0,1 нс.