ВУЗ:
Составители:
95
Рис. 8.13. Срез топологии (а) и принципиальная электрическая схема БЛЭ (б) И
2
Л
Особенностью элементов И
2
Л является:
1) отсутствие резисторов, что резко упрощает технологию производства ИС;
2) использование токового принципа питания, при котором в ИС задается не
напряжение, а ток, который непосредственно инжектируется в область
полупроводника, образующего структуру одного из транзисторов;
3) пространственное совмещение в кристалле полупроводника областей,
функционально принадлежащих различным транзисторам. При этом структура
располагается
как по горизонтали (планарно), так и по вертикали. Такое решение
позволяет отказаться от применения специальных решений для отделения
областей, принадлежащих различным элементам, как это необходимо делать в
элементах ТТЛ и ЭСЛ;
4) малое значение логического перепада, что позволяет максимально увеличить
быстродействие элемента.
В приведенной схеме (рис. 8.13(б)) многоколлекторный транзистор VT2
выполняет функцию инвертирования входного сигнала, а транзистор
VT1 -
генератора (инжектора) базового тока транзистора
VT2. К особенностям элемента
следует отнести и постоянство тока инжектора во всех режимах работы элемента. Ток
инжектора задается резистором R, который, как правило, выполняется общим на
группу элементов.
Из рис. 8.13(а) видно, что транзистор VT1 образован планарной структурой, а
многоколлекторный транзистор
VT2 - вертикальной структурой. Причем, так как
площадь каждого коллектора транзистора
VT2 меньше площади его эмиттера, этот
транзистор, по сути, работает в инверсном режиме, что способствует уменьшению
его напряжения насыщения. Все сказанное позволило разместить весь элемент И
2
Л на
площади, занимаемой в схеме ТТЛ одним многоэмиттерным транзистором.
Важной особенностью элемента И
2
Л является возможность, варьируя ток
инжектора в широких пределах, изменять его быстродействие. Реально ток
инжектора может изменяться от 1 нА до 1 мА, т. е. на 6 порядков. А поскольку при
заданной схемотехнике энергия переключения элемента - величина постоянная, в
таких же пределах может изменяться и быстродействие элемента. Важно, что для
этого не требуется никаких
схемотехнических изменений в элементе.
Принцип действия схемы И
2
Л заключается в следующем. Допустим, внешний
сигнал на входе элемента (база транзистора
VT2) отсутствует, что соответствует
сигналу лог. 1. В этом случае ток инжектора, втекая в базу транзистора
VT2,
насыщает его. На его коллекторах, а следовательно, и на выходных выводах элемента
присутствует напряжение низкого уровня, равное напряжению насыщения
транзистора
VT2. Реально это 0,1 В ... 0,2 В.
Если база транзистора
VT2 непосредственно или через насыщенный
транзистор подключена к общей шине, то выполняется условие
U
вх
<U
БЭ0
и
96
транзистор
VT2 заперт, так как ток инжектора замыкается на общую шину, минуя его
эмиттерный переход. В этом случае напряжение на его коллекторах определяется
внешними цепями. При последовательном включении нескольких инверторов это
напряжение равно напряжению эмиттерного перехода последующего транзистора.
Таким образом, для БЛЭ И
2
Л справедливы следующие соотношения:
U
0
= 0,1 … 0,1 В; U
1
= 0,6 … 0,7 В.
Из приведенных соотношений следует, что логический перепад для БЛЭ И
2
Л
составляет 0,4 … 0,6 В.
Рис. 8.14. Реализация логических операций 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ на БЛЭ И
2
Л
С использованием приведенной схемы могут быть реализованы основные
логические операции И-НЕ и ИЛИ-НЕ. На рис. 8.14 показана логическая схема,
построенная на трех инверторах И
2
Л.
Особенностью элементов И
2
Л является возможность параллельного
включения нескольких их выходов. Из приведенной схемы следует, что при
параллельном включении нескольких выходов в общей точке относительно входных
переменных реализуется логическая операция ИЛИ-НЕ. Относительно же выходных
сигналов элементов реализуется логическая операция И. Таким образом, если не
требуется гальваническое разделение между входными и выходными сигналами, то
логическая операция И выполняется без каких-либо дополнительных схемотехниче-
ских затрат простым объединением соответствующих выходов БЛЭ. После инверти-
рования результата выполненной операции ИЛИ-НЕ дополнительным элементом
относительно исходных входных переменных реализуется логическая операция ИЛИ,
а относительно выходных сигналов первых элементов - операция И-НЕ.
Таким образом, БЛЭ И
2
Л позволяет максимально унифицировать структуру
ИС, снизив площадь ее кристалла, и либо уменьшить ее потребление, либо повысить
быстродействие.
Типовое время задержки распространения БЛЭ И
2
Л при токе инжектора 0,1
мкА составляет 10 нс. При этом энергия переключения для этого элемента на
несколько порядков меньше, чем для элемента ТТЛ.
Ввиду небольшой помехоустойчивости, обусловленной малым логическим
перепадом, БЛЭ И
2
Л используются исключительно в составе БИС и СБИС и как
отдельные ИС малой степени интеграции не выпускаются. При этом входные и
выходные цепи ИС, выполненных по технологии И
2
Л, делаются совместимыми по
логическим уровням с сигналами ТТЛ.
транзистор VT2 заперт, так как ток инжектора замыкается на общую шину, минуя его
эмиттерный переход. В этом случае напряжение на его коллекторах определяется
внешними цепями. При последовательном включении нескольких инверторов это
напряжение равно напряжению эмиттерного перехода последующего транзистора.
Таким образом, для БЛЭ И2Л справедливы следующие соотношения:
U0= 0,1 … 0,1 В; U1= 0,6 … 0,7 В.
Из приведенных соотношений следует, что логический перепад для БЛЭ И2Л
составляет 0,4 … 0,6 В.
Рис. 8.13. Срез топологии (а) и принципиальная электрическая схема БЛЭ (б) И2Л
Особенностью элементов И2Л является:
1) отсутствие резисторов, что резко упрощает технологию производства ИС;
2) использование токового принципа питания, при котором в ИС задается не
напряжение, а ток, который непосредственно инжектируется в область
полупроводника, образующего структуру одного из транзисторов;
3) пространственное совмещение в кристалле полупроводника областей,
функционально принадлежащих различным транзисторам. При этом структура
располагается как по горизонтали (планарно), так и по вертикали. Такое решение
позволяет отказаться от применения специальных решений для отделения
областей, принадлежащих различным элементам, как это необходимо делать в
элементах ТТЛ и ЭСЛ;
4) малое значение логического перепада, что позволяет максимально увеличить
быстродействие элемента.
В приведенной схеме (рис. 8.13(б)) многоколлекторный транзистор VT2 Рис. 8.14. Реализация логических операций 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ на БЛЭ И2Л
выполняет функцию инвертирования входного сигнала, а транзистор VT1 - С использованием приведенной схемы могут быть реализованы основные
генератора (инжектора) базового тока транзистора VT2. К особенностям элемента логические операции И-НЕ и ИЛИ-НЕ. На рис. 8.14 показана логическая схема,
следует отнести и постоянство тока инжектора во всех режимах работы элемента. Ток построенная на трех инверторах И2Л.
инжектора задается резистором R, который, как правило, выполняется общим на Особенностью элементов И2Л является возможность параллельного
группу элементов. включения нескольких их выходов. Из приведенной схемы следует, что при
Из рис. 8.13(а) видно, что транзистор VT1 образован планарной структурой, а параллельном включении нескольких выходов в общей точке относительно входных
многоколлекторный транзистор VT2 - вертикальной структурой. Причем, так как переменных реализуется логическая операция ИЛИ-НЕ. Относительно же выходных
площадь каждого коллектора транзистора VT2 меньше площади его эмиттера, этот сигналов элементов реализуется логическая операция И. Таким образом, если не
транзистор, по сути, работает в инверсном режиме, что способствует уменьшению требуется гальваническое разделение между входными и выходными сигналами, то
его напряжения насыщения. Все сказанное позволило разместить весь элемент И2Л на логическая операция И выполняется без каких-либо дополнительных схемотехниче-
площади, занимаемой в схеме ТТЛ одним многоэмиттерным транзистором. ских затрат простым объединением соответствующих выходов БЛЭ. После инверти-
Важной особенностью элемента И2Л является возможность, варьируя ток рования результата выполненной операции ИЛИ-НЕ дополнительным элементом
инжектора в широких пределах, изменять его быстродействие. Реально ток относительно исходных входных переменных реализуется логическая операция ИЛИ,
инжектора может изменяться от 1 нА до 1 мА, т. е. на 6 порядков. А поскольку при а относительно выходных сигналов первых элементов - операция И-НЕ.
заданной схемотехнике энергия переключения элемента - величина постоянная, в Таким образом, БЛЭ И2Л позволяет максимально унифицировать структуру
таких же пределах может изменяться и быстродействие элемента. Важно, что для ИС, снизив площадь ее кристалла, и либо уменьшить ее потребление, либо повысить
этого не требуется никаких схемотехнических изменений в элементе. быстродействие.
Принцип действия схемы И2Л заключается в следующем. Допустим, внешний Типовое время задержки распространения БЛЭ И2Л при токе инжектора 0,1
сигнал на входе элемента (база транзистора VT2) отсутствует, что соответствует мкА составляет 10 нс. При этом энергия переключения для этого элемента на
сигналу лог. 1. В этом случае ток инжектора, втекая в базу транзистора VT2, несколько порядков меньше, чем для элемента ТТЛ.
насыщает его. На его коллекторах, а следовательно, и на выходных выводах элемента Ввиду небольшой помехоустойчивости, обусловленной малым логическим
присутствует напряжение низкого уровня, равное напряжению насыщения перепадом, БЛЭ И2Л используются исключительно в составе БИС и СБИС и как
транзистора VT2. Реально это 0,1 В ... 0,2 В. отдельные ИС малой степени интеграции не выпускаются. При этом входные и
Если база транзистора VT2 непосредственно или через насыщенный выходные цепи ИС, выполненных по технологии И2Л, делаются совместимыми по
транзистор подключена к общей шине, то выполняется условие Uвх
