Интегральные логические схемы

 

В цифровой микросхеме простейшие логические операции осу­ществляются с помощью логических элементов. В начале развития микроэлектроники каждая микросхема содержала обычно всего один логический элемент. По мере развития технологии на кристалле микросхемы стали разме­щать наборы таких элементов, а затем соединять их в логические струк­туры. При этом принципиальная схема логического элемента практически не менялась. Однако с течением времени импульсные параметры микросхемы оказывались недостаточными и приходилось расширять диапазоны быстро­действия, экономичность и помехоустойчивость микросхем за счет новой принципиальной схемы логического элемента. За четверть века последо­вательно сменилось около десятка таких схем. Чтобы их можно было легко различать, им присваивали сокращенные условные обозначения. В обозначении, как правило, присутствует буква Л — начальная от сло­ва логика. Этим словом в свое время условно назвали цифровой ключ.

Логическими элементами или логическими вентилями на­зывают электронные схемы, выполняющие простейшие логиче­ские операции. Логические функции и логические операции над ними — предмет алгебры логики или булевой ал­гебры. В основе алгебры логики лежат логические величины, которые принято обозначать А, Б, С и т.д. Логическая величина характеризует два взаимоисключающие понятия: есть и нет, черное и нечерное, включено и выключено и т.п. Если одно из значений логической величины обозначено через А, то второе обозначают через Ā (не А).

Для операций с логическими величинами удобно использо­вать двоичный код, полагая А = 1, Ā = 0 или, наоборот, А = 0, Ā = 1. При этом одна и та же схема может выполнять как логи­ческие, так и арифметические операции (в двоичной системе счисления).

Если понятие «не А» обозначить особой буквой, например В, то связь между значениями В и А будет иметь вид: В = Ā. Это — простейшая логическая функция, которую называют отри­цанием, инверсией или функцией НЕ. Схему, обеспечивающую выпол­нение такой функции, называют инвертором или схемой НЕ. Ее услов­ное обозначение показано на рис. 1, а. Функция инверсии характе­ризуется кружком на выходной стороне прямоугольника.

Рис. 1. Обозначения логических элементов: а — НЕ; б — ИЛИ; в — И; г — ИЛИ-НЕ; д — И-НЕ

Функция отрицания является функцией одного аргумента (одной пе­ременной).

Логическое сложение, дизъюнкция или функция ИЛИ: С = А + В. Эта функция определяется следующим образом: С = 1, если А = 1 и В = 1 или и А = 1, и B = 1.

Логическое умножение, конъюнкция или функция И: С = АВ. Эта функция определяется следующим образом: С = 1, только ее одновременно иА=1,иВ = 1.

Сочетание функции ИЛИ с инверсией (рис. 10.1, г) приводит к комбинированной функции ИЛИ-НЕ: С=/(A+B).Аналогично, сочетание функции И с инверсией приводит к комбинированной функции И-НЕ: С = /(АВ). Функции ИЛИ-НЕ и И-НЕ — самые распространенные, так как их основе можно реализовать любую другую логическую функцию. Разумеется, количество аргументов, а значит, и количество входов соответствующих схем может быть равно трем, четырем и более.

Интегральные логические элементы (ИЛЭ) составляют основу, элементную базу более сложных ИС и аппаратуры в целом. При этом параметры ИЛЭ оказывают непосредственное влияние на параметры узлов и субсистем. Иначе говоря, выбор типа ИЛЭ в значительной мере предопре­деляет качественные показатели аппаратуры.

Схемные варианты ИЛЭ принято называть транзисторными логиками и обозначать буквами ТЛ с некоторыми дополнения­ми, характеризующими специфику того или иного варианта. Однако такая система обозначений выдерживается не строго.

Резисторно-транзисторная логика (РТЛ). В основе ИЛЭ это­го типа лежит параллельное соединение обычных транзистор­ных ключей и использование общей коллекторной нагрузки. Элемент РТЛ показан сплошными линиями. Штриховыми линиями показаны транзисторы, входящие в со­став других аналогичных логических элементов. Предыдущие ИЛЭ, представленные транзисторами TЗ и T4, управляют клю­чами Т1 и Т2, а транзистор Т5 представляет последующие ло­гические элементы, являющиеся нагрузкой для данного.

Рис. 2. Логический элемент РТЛ

Схемы РТЛ использовались на первом этапе развития мик­роэлектроники. Однако в полупроводниковых ИС с высокой степенью интеграции они оказались неперспективными в связи с большим количеством резисторов, занимающих большую площадь, и низким быстродействием.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ). Схемы элемен­тов ТТЛ показаны на рис. 3. В них логическая функция осу­ществляется многоэмиттерным транзистором То (рис. 3, а) или транзисторами Т01 и Т02 (рис. 3, б), а транзистор Т1 вы­полняет функцию инверсии.

Рис. 3. Логические элементы ТТЛ: а — использующий входной многоэмиттерный транзистор; б — использующий раздельные входные транзисторы

Следует подчеркнуть, что схеме ТТЛ свойствен большой ло­гический перепад, причем в реальной цепочке, где каждый ИЛЭ связан с предыдущим и последующим, он будет таким же, как у изолированной схемы.

На смену первичным элементам ТТЛ, описанным выше, в конце 70-х годов пришли ТТЛ-микросхемы с диодами Шоттки (ТТЛШ). При этом диоды Шоттки (ДШ) использовались как для минимизации накопления заряда в насыщенных транзи­сторах, так и в качестве «ускоряющих» емкостей в ключевых элементах. Одна из разновидностей ТТЛШ-элементов использу­ет матрицу диодов Шоттки вместо многоэмиттерного транзи­стора.

В целом, развитие ТТЛ-элементов определялось совершенствовани­ем процессов их изготовления. Внедрение изопланарной технологии привело к появлению новых вариантов ТТЛШ-элементов, получивших условные названия FAST, AS и ALS. FAST — это начальные буквы слов Fairchild Advanced Shottky TTL. Сокращение AS происходит от слов Advanced (с опережением) и Shottky, а буква L в наименовании ALS обозначает слово Low (низкий), т. е. это маломощный вариант микросхем типа AS.

Интегральная инжекционная логика (И2Л). Схемы И2Л, по­явившиеся позднее других, не имеют аналогов в дискретных транзисторных схемах, т. е. специфичны именно для интегра­льного исполнения. Однако по существу они являются еще од­ной, наиболее совершенной модификацией схемы РТЛ.

Характерной особенностью схем И2Л является индивидуальное питание базы каждого транзистора от «своего» генератора тока. Часто эти генераторы для простоты опус­кают, и тогда схема принимает несколько вид (рис. 4, б): в ней как бы отсутствуют источники питания.

а) б)

Рис. 5. Происхождение логического элемента И2Л: а — включение генератора тока между базой и общей «земляной» шиной; б — схема И2 Л (генераторы тока не обозначены)

Реализация генераторов тока с помощью индивидуальных р-п-р-транзисторов (а) и одного многоколлекторного р-л-р-транзистора (б).

Ха­рактерно также использование многоколлекторных п-р-n-транзисторов.

Рис. 6. Реализация генераторов тока с помощью индивидуальных р-п-р-транзисторов (а) и одного многоколлекторного р-n-р-транзистора (б).

Преимущества И2Л: отсутствие изолирующих карманов (т.е. экономия площади); отсутствие резисторов (и связанные с этим экономия площади, уменьше­ние напряжения питания, мощности, времени задержки); ма­лая емкость коллектора (из-за малой площади p+-слоев).

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: