Логические элементы интегральных микросхем (стр. 2 из 3)
; 
,называемые коэффициентом помехоустойчивости.
Для повышения помехоустойчивости необходимо увеличивать логический перепад и уменьшать время переключения ЛЭ из состояния 1 в состояние 0 и наоборот.
Потребляемая мощность ЛЭ (мощность, потребляемая ЛЭ от источника питания) зависит от его логического состояния, так как изменяется ток Iи.п. в цепи питания. ЛЭ потребляет ток
при 
; 
при 
.Поэтому средняя потребляемая мощность в статическом режиме.
.Зная среднюю мощность и число ЛЭ в цифровом устройстве Nл.э., можно вычислить среднюю мощность, потребляемую устройством; она равна
. Уменьшить потребляемую мощность можно, снизив напряжение или ток питания. Однако при этом понизятся помехоустойчивость, а для многих типов ЛЭ и быстродействие. Наиболее эффективный способ уменьшения мощности Pср реализован в ЛЭ на КМДП-транзисторах (комплементарный металл-диэлектрик-полупроводник). В этих элементах токи в статическом режиме малы, а мощность потребляется только при переключении. Мощность, потребляемую дополнительно в процессе переключения, называют динамической. Она пропорциональна частоте переключения ЛЭ. Поэтому динамическую мощность определяют при заданной рабочей частоте, близкой к максимальной.Интегральные элементы одноступенчатой логики
Логические элементы микросхем потенциального типа с одноступенчатой логикой по схемотехнической реализации и организации межэлементных связей делятся на следующие типы:
· резисторно-транзисторные (RTL[*]);
· транзисторные с непосредственной связью (DCTL);
· транзисторные с резистивными связями (TRL);
· транзисторные с резистивно-конденсаторными связями (RCTL);
· комплементарные с транзисторно-резистивной логикой (CRTL);
· диодно-транзисторные (DTL);
· транзисторные с эмиттерными связями (ECL);
· транзисторные с инжекционной логикой (И2Л).
Резистивно-транзисторные ИМС (RTL)
На рис. 2 показаны электрическая и функциональная схемы ЛЭ ИС типа RTL, реализующего функцию ИЛИ-НЕ. Операция ИЛИ осуществляется на резистивной сборке, а транзистор исполняет роль усилителя-инвертора.
Рис. 2. Элемент двухступенчатой логики(DTL_-2)
а) схема элемента И-ИЛИ-НЕ;б) функциональное обозначение
Необходимо отметить, что ЛЭ может работать в двух логических режимах. При высоком уровне сигнала, принятом за логическую единицу (1), осуществляется так называемая положительная логика работы элемента. Если за логическую 1 принять низкий уровень, то имеет место отрицательная логика. В этом случае ЛЭ реализует операцию И-НЕ. Такое преобразование логики работы элементов в зависимости от принятой полярности сигнала логической 1 характерно и для всех других типов потенциальных микросхем.
Транзисторные ИМС с непосредственной, резистивной и резистивно-емкостной связью (DCTL, TRL, RCTL)
Транзисторные ИМС с непосредственной связью являются одним из основных схемотехнических направлений. Наиболее широко эта схемотехника применяется в ИМС на основе МДП-структур. Возможна также реализация транзисторных ИМС с непосредственными связями на основе биполярных транзисторов (Рис. 3).
Рис 3. Схемы ЛЭ: а)TRL; б)DCTL; в)RCTL; г) расширитель ИЛИ; д) функциональное обозначение
Включение компенсирующих резисторов в базовые цепи транзисторов ЛЭ (рис.
3, а) позволило значительно снизить рабочие токи и потребляемую мощность в TRL-ИМС. На основе элементов TRL были разработаны серии микромощных ИМС с
. Однако включение компенсирующих резисторов существенно снизило предельное быстродействие микросхем до 1 МГЦ, но в тоже время обеспечило высокое значение параметров n и m (n>4 и m>8). Для повышения быстродействия элементов TRL параллельно базовому резистору были включены форсирующие конденсаторы (рис. 3, в). Микросхемы такого типа получили название транзисторных ИМС с резистивно-конденсаторными связями (RCTL). Предельное быстродействие элементов такого типа повысилось до 5 МГц при сохранении значений параметров n и m.Несмотря на очевидные преимущества RCTL-ИМС не получили распространения из-за сложности их изготовления, так как создание идентичных и стабильных емкостей методами интегральной технологии является сложной задачей. Конденсаторы, выполненные на основе короткозамкнутых p-n переходов, занимают большую площадь и имеют значительный разброс характеристик, что снижает степень интеграции и процент выхода годных ИМС в производстве.
Расширение функциональных возможностей ИМС
Функциональные возможности ИМС определяются:
1. выполняемой логической функцией;
2. коэффициентом объединения;
3. нагрузочной способностью элемента.
Для транзисторной логики наиболее высокая нагрузочная способность достигается у TRL-ИМС (m=8…12 и n=4…5). Однако часто при синтезе конкретных цифровых устройств требуется увеличение параметра n у отдельных ИМС до 16…20, а параметр m может изменяться в пределах 1…12.
Подключение к основной логической схеме расширителей позволяет увеличивать емкость нагрузки ИМС (точка К на рис. 3, г), но приводит к снижению их быстродействия.
Для увеличения нагрузочной способности в состав серии микросхем включаются буферные ИМС, представляющие собой усилители мощности. Для обеспечения высокого быстродействия буферного усилителя, соответствующего быстродействию основных микросхем серии, применяется симметричный транзисторный выход.
Буферные усилители обеспечивают нагрузочную способность n>20 и работают при нагрузках Cн>100 пФ (допустимая емкостная нагрузка на основную вентильную схему обычно не превышает 30 пФ). Буферная ИМС может выполнять не только усилительные, но и логические функции за счет параллельного включения m-транзисторов на входе и выходе.
Диодно-транзисторные ИМС (DTL)
Базовые функциональные элементы (рис. 4) диодно-транзисторных ИМС реализуют типовую логическую функцию И-НЕ (для положительной логики). При этом функцию И выполняют диодные группы, а функцию усилителя-инвертора-транзисторные схемы.
Известны две наиболее распространенные разновидности DTL-ИМС:
1. ИМС с однотранзисторным усилителем на выходе;
2. ИМС с усилителем на составном транзисторе (усилитель Дарлингтона).
Базовые элементы И-НЕ для двух указанных групп DTL-ИМС приведены на рис. 4, а, б соответственно.
Применение усилителя на составном транзисторе позволяет снизить требования к коэффициенту усиления интегральных транзисторов, а также расширить температурный диапазон работы DTL-ИМС.
Модифицированные DTL-ИМС со свободным коллектором позволяют простым способом реализовать двухступенчатую логическую функцию И-ИЛИ-НЕ за счет объединения коллекторов выходных транзисторов.
Общим свойством описанных микросхем является использование нелинейного режима работы активных элементов. Усилители логических схем характеризуются надежным запиранием транзисторов в одном логическом состоянии и насыщением транзисторов в другом.
Режим насыщения не позволяет полностью использовать высокие частотные свойства транзисторов в микросхеме, так как основная задержка определяется длительным рассасыванием заряда при включении насыщенного транзистора.
В связи с разработкой новых поколений ЭВМ встал вопрос о создании ИМС с быстродействием более 50 МГц. Этим требованиям удовлетворяют ИМС с эмиттерными связями (ECL-ИМС), имеющие высокие динамические параметры.
ИМС с эмиттерными связями (ECL)
В базовом ECL-элементе ИЛИ, ИЛИ-НЕ обе логические операции (ИЛИ, НЕ) выполняются эмиттерно-связанными транзисторами, чем и обусловлено название типа логики. Элемент имеет два выхода, на одном из которых фиксируется результат операции ИЛИ, а на другом — операции ИЛИ-НЕ. Обозначают такой элемент ИЛИ, ИЛИ-НЕ.
Особенностью микросхем транзисторной логики с эмиттерными связями (ECL) является ненасыщенный режим работы транзисторов, что обеспечивает их высокое быстродействие. Вентильная ECL-ИМС выполняется на двух переключателях тока (рис. 5). Один из них, нормально открытый, реализован на транзисторе, на базу которого подано отпирающее напряжение U0. Уровень U0 ниже минимального уровня логической 1. Второй переключатель тока состоит из m (по числу логических входов) транзисторов, имеющих общие коллекторы и эмиттеры, что обеспечивает реализацию функции ИЛИ. При отпирании любого транзистора второго переключателя тока, повышается уровень напряжения на общем эмиттерном резисторе R0 и обеспечивается запирание первого переключателя тока, что приводит к формированию на выходе Y высокого уровня (логическая 1), в то время как на выходе
формируется низкий уровень (логический 0). Следовательно, по выходу реализуется функция ИЛИ-НЕ, а по входу Y — логическая функция ИЛИ.