Логические элементы интегральных микросхем

Логическими элементами (ЛЭ) называют электронные схемы, выполняющие логические операции с цифровыми сигналами, имеющими два значения: Ц° (логический нуль) и £Я (логическая единица). Основными логическими операциями являются:

логическое отрицание (инверсия, операция НЕ), логическое сложение (дизъюнкция, операция ИЛИ) и логическое умножение (конъюнкция, операция И). Комбинация логических операций НЕ и ИЛИ позволяет осуществить более сложную операцию ИЛИ—НЕ. Сочетание операций НЕ и И приводит к логической операции И—НЕ. Логическую операцию НЕ осуществляет рассмотренный ранее электронный ключ. Логический элемент, выполняющий эту операцию, называют инвертором. Условные графические обозначения ЛЭ показаны на рис. 8.16.

Базовыми для построения ЛЭ являются электронные ключи. Основной характеристикой ЛЭ является рассмотренная ранее передаточная характеристика с той лишь разницей, что она представляет зависимость выходного напряжения от напряжения на одном из входов при постоянных напряжениях на остальных входах.

Параметрами ЛЭ являются:

□ коэффициент объединения по входу 7С_о6;

□ коэффициент разветвления по выходу Х_разв;

□ среднее время задержки распространения сигнала £_зд.р.с_Р;

□ логический перепад [/,, = U¹ - £/°;

□ пороговые напряжения U°_nop и [/„_ор;

□ статическая помехоустойчивость U°_n и [/';

□ потребляемая мощность Р_потср = (Р°_поТ + Р,¹_ют)/2, где Р°_т и PJ,_OT — мощности, потребляемые при подаче на вход напряжений U⁰ и U¹;

□ работа переключения Д_1ер = Р,_ютср 4_д._Р.с_Р.-

Помимо электрических параметров ЛЭ характеризуются конструктивно-техно­логическими, к которым относятся:

□ относительная площадь, выражаемая числом литографических квадратов со стороной А, где А — минимальный топологический размер, определяемый уровнем технологии;

□ количество основных технологических операций, используемых при изготовлении микросхемы.

Простейшим логическим элементом является схема транзисторной логики с непосредственными связями (ТЛНС), основанная на параллельном соединении транзисторных ключей с общей коллекторной нагрузкой (рис. 8.17). Управляющие сигналы х_х и х₂ подаются на базы транзисторов VT_t и VT₂ с коллекторов предыдущих ЛЭ. Если на входы x_i и х₂ поданы сигналы U\_v то транзисторы VT, и VT₂ заперты, ток от источника Е_{и п} течет через резистор R_K в базовую цепь тран­зистора VT₃ и на выходе ЛЭ устанавливается напряжение Щ_ш в 0,7 В. Если на одном из входов действует высокий уровень U^l_m, то соответствующий транзистор открывается и на выходе ЛЭ устанавливается напряжение £/£_ых, недостаточное для отпирания транзистора VT₃. Такой же уровень получается при отпирании обоих транзисторов. Следовательно, ЛЭ выполняет операцию ИЛИ—НЕ.