В логическихустройствах сигнал может принимать только два значения:логического нуля и логической единицы. Если логической единице соответствуетвысокий потенциальный уровень, а логическому нулю – низкий, такую логикуназывают положительной (позитивной). В противном случае логиканазывается отрицательной (негативной). Интегральные логические элементыизготавливаются в основном для работы в позитивной логике.
Рассмотренный намипростейший транзисторный ключ выполняет логическую операцию отрицания (операциюНЕ). Высокому уровню напряжения на входе ключа (''1'') соответствуетнизкий уровень напряжения на его выходе (''0''), и наоборот.
В совокупности сдругими элементами транзисторные ключи могут реализовать более сложные функции.
3.2.Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
Простейшая ключеваясхема имеет один управляющий вход и один выход. В общем случае число входов ивыходов может быть больше. На рис.7 приведена схема логического элемента И-НЕ, построенная на основе
транзисторного ключа. В составэлемента входит ключевая схема на транзисторе VT2. Управление схемой производится с помощью многоэмит-терноготранзистора VT1.Многоэмиттерный транзистор разработан специ- ально для микроминиатюрныхлогических устройств. На его входах (эмиттеры) могут подаваться сигналывысокого (''1'') либо низкого (''0'') уровня.
Рассмотрим принцип работы схемы. Если на все входы (в данном случае на три) подан высокий положительный потенциал ( x1=x2=x3=1),
Рис. 7
транзистор VT1 закрывается, потенциал коллектора VT1 близок кнапряжению +Eк,что приводит к отпиранию транзистора VT2.Напряжение на выходе VT2 устанавливается низким,т.е. выходной сигнал соответствует логическому нулю (F=0).
При наличии на одномиз входов логического нуля, например, x1=0, VT1 открывается. На коллекторе транзистора VT1 в этом режиме устанавли-вается низкий потенциал, ичто приводит к закрытию транзистора VT2. Навыходе устанавливается высокий потенциал, соответствующий логической единице,т.е. при x1=0 F=1 при любом состояниивходов x2 и x3. Такимобра-зом схема реализует функцию ЗИ-НЕ.
3.3. Логические элементы на основе полевыхтранзисторов
3.3.1. МОП-транзисторная логика на ключах одного типапроводимости
Одним из основных достоинств полевых транзисторов с изолирован- ным затвором(МОП-транзисторов) по сравнению с биполярным является более высокаятехнологичность и возможность изготовления на одной под-ложке большого числаприборов с идентичными параметрами. Кроме того, полевые транзисторы имеют оченьвысокое входное сопротивление и практически не потребляют мощности по входной(затворной) цепи.
Если логические элементы на базе полевых транзисторов выполнены по интегральнойтехнологии, то в качестве нагрузки ключевого транзистора с точки зренияупрощения технологии оказывается более выгодным исполь-зовать не резистор, авторой МОП-транзистор, у которого затвор и исток замкнуты.
Транзисторы пМОП-типа являются в 2-3 раза более быстродействую-щими посравнению с транзисторами рМОП-типа и требуют меньшей пло-щадиполупроводниковой поверхности, существенно более экономичны и поэтому частоиспользуются в микромощных БИС.
Нарис. 8 представлен инвертор на МОП-транзисторах с п-каналом и использованнымзатвором. Нагрузкой инвертора в этой схеме служит тран-зистор VT1,затвор которого соединен с источником положительного напря-
Рис. 8
жения. Поскольку вольт-ампернаяхарактеристика транзисторов нелинейна, то и выходное сопротивление припереключении изменяется нелинейно. По этой причине данная схема получиланазвание ключа с нелинейной нагрузкой.
Транзистор VT2 называется активным (управляющим). При низкомвходном потенциале (логический ''0'' на входе) транзистор VT2 закрыт, ток
-9 -10
стока IС=10 – 10 А и менее, VВЫХ »EК (логическая ''1'' на выходе).
Когда на входевысокий потенциал (логическая ''1'' на входе), транзис-тор VT2 отпирается, сопротивление канала резко падает и VВЫХ » 0(логичес-кий ''0'' на выходе). Таким образом, в результате переключениятранзистора выходное напряжение изменяется от EК до 0, т.е. схема реализует логичес-куюфункцию НЕ.
3.3.2.МОП-транзисторная логика на комплиментарных транзисторах
(КМОП-логика)
В основу построения данной логики положен комплиментарный
транзисторный ключ, состоящийиз последовательно соединенных полевых транзисторов с разным типом проводимостиканала (рис. 9). В такой схеме коммутируются оба транзистора одновременно, таккак затворы их соедине-ны, т.е. на оба затвора поступает управляющий сигнал.
Рис. 9
При низком уровневходного сигнала открыт транзистор VT2 с р-каналом,а транзистор VT1 с п-каналом закрыт. Приэтом выходное напряже- ние снимаемое со стоков обоих транзисторов, примерноравно ЕО.
При высоком уровневходного сигнала открыт транзистор VT1, а тран-зистор VT2 закрыт, т.е.выходное напряжение близко к нулю. Схема реали-зует логическую функцию НЕ.
Основным достоинствомэтой схемы по сравнению с предыдущей является то, что в статическом состоянииодин из транзисторов всегда зак-рыт, и поэтому мощность, потребляемая отисточника питания, очень мала. Расход мощности источника питания происходиттолько при переключении транзисторов и определяется в основном процессамиперезаряда паразитных емкостей.
Недостатки схем накомплиментарных транзисторах – большое число элементов в логических схемах,усложнение технологии их изготовления, что приводит к увеличению площадикристалла и стоимости изготовления по сравнению с интегральными схемами наоднородных МОП-транзисторах.
3.4.Эмитеррно-связанная логика (ЭСЛ)
В логическихэлементах ЭСЛ в качестве ключа применяют транзисторные переключатели тока,производящие переключение тока от одной нагрузки к другой (рис. 10).
Рис. 10
Принцип работыпереключателя тока аналогичен принципу работы дифференциального усилительногокаскада в режиме ограничения амплиту-ды выходного сигнала. На базу транзистора VT2 дифференциального усили-теля подается напряжениесмещение ЕСМ, а апереключение тока IО генерато-ра тока с транзистора VT1 на транзистор VT2 происходит за счет подачи на базутранзистора VT1 управляющего сигнала от внешнегоисточника. Для надежного переключения транзисторов достаточно изменения уровнявход-ного управляющего сигнала примерно на 0,5 ¸0,6 В.
Глубокаяотрицательная обратная связь по току в схеме дифферен-циального каскадаобусловливает то обстоятельство, что коллекторный ток каждого из транзисторовне может превысить ток генератора тока в эмиттер-ной цепи транзисторов. Выборомэлементов схемы можно добиться выпол-нения условия IО < IК.НАС, поэтомутранзисторы не переходят в режим насыще-ния и при переключении остаются вактивном режиме. Эта особенность в сочетании с хорошими частотными свойствамитранзисторов и самой схемы переключателей тока определяет ее высокоебыстродействие. Время переключения таких схем может быть порядка несколькихнаносекунд.
Связь между транзисторами в переключателе тока осуществляется через генератортока, включенный в неразветвленную цепь эмиттеров транзисторов. Этообстоятельство обуславливает название логических элементов, построенных нарассмотренном типе ключа, – эмитеррно-связанная логика.
Рассматриваемая схема имеет два выхода: F1 и F2. На выходе F2 фик-сируется результат операцииэквивалентности F2 = x, а на выходе F1 – опера-ции НЕF1 = x.
Когда на логическомвходе действует напряжение логической едини-цы (x =1), транзистор VT1 открывается,а VT2 – запирается. При этом на логическом выходе F2 имеемлогическую единицу (F2 =1), а на выходе F1 – логическийноль (F1 =0).
Если напряжение на входе элемента становится равным напряжению логического ноля(x=0), транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. В этом случае налогическом выходе F1 имеем логическую единицу (F1 =1), а на логическомвыходе F2 – логический ноль (F2 =0).
3.5.Интегральная инжекционная логика (И²Л-логика)
Схемы И²Л выпускаются только в интегральном исполнении. И²Л-схемы работают с весьма малыми перепадами логических уровней итребуют минимальной площади поверхности полупродниковой подложки. Показательстепени ''два'' в обозначении указывает на то, что транзистор,осуществляющий питание (инжектор), работает в режиме двойной инжекции.
На рис. 11 изображенинвертор, выполненный в интегральной инжекционной логике. Питание И²Л-схем осуществляется от источника тока через p-n-p-переходтранзисторов VTП, имеющих общую эмиттерную p-область,называемую инжектором. Транзисторы VTП имеют продольную структуру,причем p-область базы транзистора VTП физически совмещена сэмиттерной p-областью транзистора VT.