Логические элементы с инжекционным питанием

Логические элементыс инжекционным питанием (И²Л) являются модификацией схемы ТЛНС (рис. 3.15), в которой происходит коммутация тока, потребляемого от источника питания либо в коллекторную цепь предыдущего ЛЭ (при подаче на его вход напряжения U¹), либо в базовую цепь последующего ЛЭ (при подаче на вход предыдущего Л_Э напряжения U⁰). Резистор R_К в этой схеме необходим для обеспечения нужных режимов работы транзисторов, причем ток через R_К при переключении меняется очень мало. Поэтому в ЛЭ И²Л его заменяют источником постоянного тока, функции которого выполняет дополнительный транзистор VT0, включенный по схеме с общей базой. В результате схема принимает вид, показанный на рис. 3.15, а. Если Х₁ или Х₂ = U⁰, то ток I₀ от источника Е_к течет в коллекторную цепь транзистора VT1 (или VT2). Если X₁ = Х₂ = U⁰, то ток от источника Е_к течет в базовую цепь транзистора последующего логического элемента.

Рис. 3.15

Базы транзисторов VT1 и VT2 подключены к коллекторам предыдущих ЛЭ и питаются также от своих источников тока I₀.

На принципиальных схемах вместо транзистора VT0 условно показывают генератор тока I₀. Поскольку базовые цепи питаются от отдельных источников тока, то на схемах указываются его источники в каждой базовой цепи (рис. 3.15, б).

Название инжекционное питание происходит из-за особенностей структуры логического элемента, в которой осуществлено совмещение n–р–n- и р–n–р-структур (рис. 3.16, а): база горизонтального р–n–р-транзистора одновременно является эмиттером вертикального n–р–n-транзистора, а коллектор р–n–р-транзистора – базой n–р–n-транзистора. Если вывод базы n–р–n-транзистора заземлен (или подключен к коллектору открытого предыдущего ЛЭ), то дырки (из эмиттера горизонтального р–n–р-транзистора), пройдя через базу n–р–n-транзистора, покидают ее. Если же вывод базы n–р–n-транзистора отключен (или подключен к коллектору закрытого предыдущего ЛЭ), то в базе n–р–n-транзистора происходит накопление дырок, иначе говоря, имеет место инжекция дырок в базу. Отсюда и название «инжекционное питание». При инжекции дырок в базу n–р–n-транзистора происходит отпирание эмиттерного и коллекторного переходов, т. е. транзистор переходит в режим насыщения.

Рис. 3.16

Включать в каждую базовую цепь р–n–р-транзистор, выполняющий функции источника тока I₀, нецелесообразно. Учитывая, что базы всех р–n–р-транзисторов заземлены, а эмиттеры, называемые инжекторами, подключены к источнику питания через резисторы, обеспечивающие стабильность тока инжекторов, в реальных структурах вместо большого числа индивидуальных источников тока используют многоколлекторный р–n–р-транзистор, каждый коллектор которого подключен только к одной базе соответствующего транзистора. Этот принцип иллюстрируется на рис. 3.16, б, где представлена, топология двухвходового ЛЭ, соответствующего схеме рис. 3.15, б. В этой структуре инжектор представляет собой узкую р-полоску, справа и слева от которой расположены вертикальные n–р–n-структуры.

Обычно к выходу ЛЭ подключается параллельно несколько последующих ЛЭ, входные токи которых могут быть разными, что может привести к неустойчивости работы цепочки ЛЭ. Для того чтобы обеспечить равномерное распределение выходных токов, n–р–n-транзисторы делают многоколлекторными. Количество коллекторов равно количеству последующих ЛЭ, подключаемых параллельно к выходу предыдущего ЛЭ.

Рассмотренные схемы и структуры реализуют операцию ИЛИ–НЕ. Для реализации операции и применяют схему, показанную на рис. 3.17.

Рис. 3.17

Если на входах Х₁ = X₂ = U⁰, то транзисторы VT1 и VТз закрыты, а транзисторы VТ2 и VT4 открыты и на выходе Y= U⁰. Если на одном из входов Х₁ (или Х₂) действует сигнал U¹, а на другом – U⁰, то транзистор VT1 (или VТ3) открыт, а транзистор VТ3 (или VT1) закрыт, следовательно, один из транзисторов VT2 (или VT4) открыт и Y = U⁰. Если же Х₁ = Х₂ = U¹, то транзисторы VT1 и VТ3 открыты, а транзисторы VT2 и VT4 закрыты и Y= U¹.

Логические элементы И²Л обладают рядом преимуществ: малая занимаемая площадь, что связано с отсутствием изолирующих карманов между транзисторами (эмиттеры всех транзисторов заземлены), низкое напряжение питания (чтобы открыть инжекторный переход достаточно напряжения около 1 В); малая потребляемая мощность (транзисторы работают в режиме микротоков), достаточно высокое быстродействие и др. Все это делает схемы И²Л весьма перспективными для использования в больших интегральных схемах (БИС).