Цифровые интегральные логические элементы

В процессе развития интегральной электроники выделилось несколько типов схем логических элементов, имеющих достаточно хорошие характеристики и удобных для реализации в интегральном исполнении, которые служат элементной базой современных цифровых микросхем.

Базовые элементы, независимо от их микросхемотехники и особенностей технологий изготовления, строятся в одном из базисов (как правило, в базисе И–НЕ или ИЛИ–НЕ).

Базовые элементы выпускаются в виде отдельных микросхем, либо входят в состав функциональных узлов и блоков, реализованных в виде СИС, БИС, СБИС.

В процессе реализации базовые логические элементы строят из двух частей: входной логики, выполняющей операции И или ИЛИ, и выходного каскада, выполняющего операцию НЕ.

Входная логика может быть выполнена на диодах, биполярных и полевых транзисторах. В зависимости от этого различают:

В перечисленных группах логических элементов в качестве выходного каскада используется ключевая схема (инвертор). Другая группа логических элементов основана на переключателях тока – эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ-логика).

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Основой транзисторно-транзисторной логики является базовый элемент на основе многоэмиттерного транзистора Т1 (рис. 17), который легко реализуется в едином технологическом цикле с транзистором Т2. В ТТЛ-логике многоэмиттерный транзистор осуществляет в положительной логике операцию И, а на транзисторе Т2 собран инвертор. Таким образом, по данной схеме реализован базис И–НЕ.

В случае подачи на все входы схемы высокого потенциала, все переходы эмиттер–база транзистора Т1 окажутся запертыми так как потенциал в точке A примерно равен входным сигналам. В то же время, переход база–коллектор будет открытым, поэтому по цепи E_п – R₁ – база Т1 – коллектор Т1 – база Т2 – эмиттер Т2 – корпус течет ток I_{б нас}, который открывает транзистор Т2 и вводит его в насыщение. Потенциал на выходе схемы оказывается близким к нулю (на уровне ≈ 0,1 В). Сопротивление R₁ подобрано таким, чтобы, за счет падения напряжения на нем от тока I_б нас транзистора Т2, потенциал в точке A был бы ниже, чем потенциал входов, и эмиттеры Т1 оставались бы запертыми.

При подаче низкого потенциала логического нуля хотя бы на один из входов открывается этот переход эмиттер–база транзистора Т1, появляется значительный ток I_э и потенциал в точке A, равный

, приближается к нулевому. Разность потенциалов между базой и эмиттером Т2 также становится равной нулю, ток I_б транзистора Т2 прекращается, и он закрывается (переходит в режим отсечки). В результате выходное напряжение приобретает значение, равное напряжению питания (логической единицы).

Входные диоды Д1, … , ДN предназначены для демпфирования (отсечки) отрицательных колебаний, которые могут присутствовать во входных сигналах за счет паразитных элементов предыдущих каскадов.

Существенным недостатком рассмотренной схемы элемента И–НЕ являются низкие нагрузочная способность и экономичность ее инвертора, поэтому в практических схемах используют более сложный инвертор.

В конце 70-х годов началось широкое применение серий элементов на транзисторах Шоттки с повышенным быстродействием за счет уменьшения задержки выключения ключей. По принципу действия базовый элемент ТТЛШ аналогичен ТТЛ-элементу.

Необходимо заметить, что схемам ТТЛ и ТТЛШ свойственен большой логический перепад напряжений, равный

Интегральная инжекционная логика (И²Л)

Схемы И²Л не имеют аналогов в дискретных транзисторных схемах, т. е. характерны именно для интегрального исполнения. Основой И²Л элементов является инвертор (рис. 18), составленный из двух транзисторов.

Транзистор Т1 является транзистором n-p-n типа, а транзистор Т2 – p-n-p типа, причем одна из областей n-типа является как базой транзистора Т1, называемого инжектором (отсюда и название логики), так и эмиттером транзистора Т2, а база транзистора Т2 является коллектором инжектора. Функционально транзистор Т1 выполняет роль нагрузочного резистора, а Т2 – полупроводникового ключа.

Выходной транзистор – многоколлекторный, что обеспечивает развязку выходов друг от друга. Если ключевой транзистор предыдущей схемы открыт, то через него замыкается на корпус ток I_к транзистора Т1, заданный внешним источником тока, и не поступает в базу транзистора Т2, оставляя его закрытым.

Если же ключевой транзистор предыдущей схемы заперт, то ток I_к потечет в базу Т2 и вызовет его открывание. Таким образом рассматриваемый базовый элемент реализует операцию НЕ, принимая открытое состояние Т2 за нуль, а запертое – за единицу.

Соединив параллельно (рис. 19) два базовых элемента, можно получить реализацию базиса ИЛИ-НЕ.

Рис. 19. Реализация схемы ИЛИ–НЕ в логике И²Л

В качестве источников тока питания I_ип служат генераторы токов на p-n-p транзисторах, включенных по схеме с общей базой. Из-за отсутствия в схеме резисторов и общих для обоих транзисторов областей p и n-типа схема очень технологична и в интегральном исполнении позволяет достичь плотности упаковки в 50 раз выше, чем при ТТЛ технологии.

При напряжении питания 1,5 В значение высокого потенциала порядка 0,7 В, а низкого – 0,05 В. Так как транзистор Т1 представляет высокоомную нагрузку, потребляемая элементом мощность может быть снижена до чрезвычайно низкой величины (раз в 100 меньше, чем у ТТЛ-элементов). Поэтому элементы И²Л нашли широкое применение в БИС (серии КР582, 584).

В сериях ИС невысокой степени интеграции логика И²Л не эффективна из-за низкого логического перепада, равного 0,65 В, и поэтому, низкой помехоустойчивости. Кроме того, по быстродействию, вследствие глубокого насыщения транзисторов инвертора, И²Л-элементы уступают ТТЛШ-элементам.

Логические элементы на МДП-транзисторах

В настоящее время в логических схемах используются МДП-транзисторы с диэлектриком SiO₂ (МОП-транзисторы).

Анализ МОП-транзисторных логических элементов достаточно прост, т.к. из-за отсутствия входных токов их можно рассматривать отдельно от других элементов даже при работе в цепочке.

На рис. 20 показаны два варианта построения логических элементов на МОП-транзисторах с n-каналами.

Рис. 20. Логические элементы на МОП-транзисторах: а) – элемент ИЛИ-НЕ, б) – элемент И-НЕ

Логические уровни в обеих схемах не зависят от нагрузки и соответствуют выходным напряжениям открытого и закрытого ключа:

Соответственно, логический перепад составляет:

Напряжение питания E_c МОП-логики выбирают в 3…4 раза больше порогового напряжения U_o открывания транзисторов. Если U_o = 1,5 … 3В, то получаемый логический перепад в 5 … 10В намного превышает значения, свойственные схемам И²Л, ЭСЛ и даже ТТЛ (при напряжении питания 4 … 5В). Поэтому МОП-логика обладает повышенной помехоустойчивостью.

Более высоким быстродействием и низким энергопотреблением характеризуется логика на комплементарных транзисторах вследствие причин, рассмотренных ранее. По принципу действия и схемотехнике КМОП-логика очень близка МОП-логике.

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

В основе схемы ЭСЛ лежит переключатель тока, в одно из плеч которого включено параллельно несколько транзисторов. Эти транзисторы равноправны – отпирание любого из них (или всех вместе) приводит к изменению логического состояния переключателя. Поэтому ЭСЛ-элементы выполняют логическую функцию ИЛИ-НЕ.

Вследствие ненасыщенного режима работы транзисторов логический перепад в схеме не превышает 0,65В.

Параметры интегральных логических элементов

Независимо от принадлежности к той или иной серии, все логические элементы характеризуются определенным одним и тем же набором параметров, которые являются справочными данными. Значения же этих параметров обусловлены схемотехническим конструктивным и технологическим исполнением элементов.

Значения параметров, как правило, задаются с запасом и не исчерпывают физических возможностей микросхемы, однако превышать их не следует.

Оценивают микросхемы по следующим основным параметрам:

быстродействию, напряжению питания, потребляемой мощности, коэффициенту разветвления по выходу, коэффициенту объединения по входу, помехоустойчивости, энергии переключения, надежности, стойкости к климатическим и механическим воздействиям. Рассмотрим основные из них.

Уровни выходных напряжений

Техническими условиями для каждой серии логических элементов задаются наибольший и наименьший уровни выходных напряжений, соответствующих логическим единице и нулю при допустимых изменениях напряжения питания, нагрузки, температуры. Напряжение

U¹_{вых min} соответствует минимальному уровню логической единицы на выходе (для ТТЛ U¹_{вых min} = 2,4В), а напряжение U⁰ _{вых max} – максимальному уровню логического нуля (для ТТЛ U⁰ _{вых max} = 0,4В).

Статическая помехоустойчивость

Этот параметр определяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы и оценивается для низкого и высокого уровней напряжения.

Статической помехоустойчивостью по низкому уровню считают разность

где U⁰_{вых max} – максимальное допустимое напряжение низкого уровня на выходе нагруженной микросхемы;

U⁰_{вх max} – максимальное допустимое напряжение низкого уровня на входе нагружающей микросхемы.

Помехоустойчивость по высокому уровню определяют так:

здесь U¹_{вых min} – минимальное напряжение высокого уровня на выходе нагруженной микросхемы; U¹_{вх min} – минимальное допустимое напряжение высокого уровня на нагружающем входе.

ТТЛ, например, логика еще будет нормально работать, если на ее входе напряжение логического нуля достигнет 0,8В, а напряжение логической единицы снизится до 2В. Таким образом, гарантированный запас помехоустойчивости в обоих состояниях составляет 0,4В. Реальный же запас помехоустойчивости гораздо больше и превышает 1В.

Коэффициент разветвления по выходу

Этот параметр К_раз(нагрузочная способность) определяет максимальное число входов элементов данной серии, которым можно нагружать выходы микросхемы без нарушения ее нормального функционирования.

Коэффициент объединения по входу

К_об определяет число логических входов, которые имеет логический элемент.

Простейшие логические элементы выпускаются с 2, 3, 4 и 8 входами. Более сложные устройства содержат и другие входы: адресные, установочные, разрешающие, входы синхронизации и др.

Входные токи

Эти параметры определяют нагрузку, которую представляет рассматриваемая схема, на предшествующую схему или другой источник сигнала. Различают входные токи I⁰_вх и I¹_вх при подаче логических нуля или единицы.

Средняя статическая потребляемая мощность

где P⁰_поти P¹_пот– мощности, потребляемые интегральным логическим элементом в состоянии логического нуля и логической единицы. Это вытекает из того, что в сложных многоэлементных устройствах в среднем половина логических элементов находится в состоянии 1, а половина – в состоянии 0.

Быстродействие

Характеризуется максимальной частотой смены входных сигналов, при которой еще не нарушается нормальное функционирование устройства.

Инерционность полупроводниковых приборов и паразитные емкости служат причиной того, что каждое переключение сопровождается переходными процессами, отчего фронты импульсов растягиваются.

Для оценки временных свойств микросхем обычно пользуются задержкой распространения сигнала, которая представляет собой интервал времени между входным и выходным импульсами, измеренными на уровне 0,5. Задержки распространения сигнала при включении t^1,0_зд.р. и при выключении t^0,1_зд.р.не равны, поэтому пользуются усредненным параметром t_{зд.р. ср.} = 0,5(t^1,0_зд.р. + t^0,1_зд.р.).

Для последовательностных устройств (триггеры, счетчики и др.) вводятся некоторые дополнительные временные параметры, обусловленные принципом действия: разрешающее время, длительность входного импульса и др.

В общем случае анализ физических, технологических и схемотехнических особенностей интегральных логических элементов показывает, что можно создать различные их варианты, но их особенностью будут либо относительно высокое (высокое) быстродействие при низкой экономичности, либо высокая экономичность при относительно низком (низком) быстродействии. Обобщенные характеристики известных типов интегральных логических элементов приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы, наиболее быстродействующими являются в настоящее время схемы ЭСЛ и ТТЛШ, наиболее экономичными – схемы И²Л и КМОП.

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Тип логики	P_{ст. ср.} , мВт	t_{зд.р. ср.} , нс	U_пом, В	K_об	K_раз
ТТЛ ТТЛШ	1 – 20	5 – 20 2 – 10	0,8 – 1 0,5 – 0,8	2 – 8	10 – 30 10 – 40
ЭСЛ	20 – 50	0,5 – 2	0,2 – 0,3	2 – 8	1 – 20
И²Л	0,01 – 0,1	10 – 100	0,02 – 0,05	1	3 – 5
МОП КМОП	1 – 10 0,01 – 0,1	20 – 200 10 – 50	2 – 3 1 – 2	2 – 8	10 – 20