Навигация
ИМС с однотранзисторным усилителем на выходе;
26076
знаков
0
таблиц
10
изображений
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.
|
|
|
|
Выполнение выходных каскадов логической схемы на эмиттерных повторителях (выходное сопротивление 30…50 Ом) обеспечивает большую нагрузочную способность базового элемента (n>10). Кроме того, при наличии эмиттерных повторителей смещается выходной уровень 1 элемента на величину падения напряжения на переходе кремниевого транзистора (Uбэ=0,7…0,8 В), создавая условия для ненасыщенного режима работы транзисторов последующей логической группы.
Рис. 6. Логический элемент ECL с мощным выходом:
а) схема элемента ИЛИ, ИЛИ-НЕ;
Транзисторы выходных эмиттерных повторителей работают в ненасыщенном режиме, так как напряжение на коллекторе всегда выше напряжения на базе и переходы коллектор-база никогда не оказываются смещенными в прямом направлении. Перепад напряжений логических уровней 1 и 0, как правило, находится в пределах 0,7…0,8 В, а помехоустойчивость составляет 0,15…0,2 В. За счет низкого выходного сопротивления уровень помех в линиях связи между элементами невысок, а постоянная токовая нагрузка элемента не вызывает всплесков напряжения в цепях питания. Наличие двух парафазных логических выходов в ECL-ИМС обеспечивает большую гибкость при проектировании цифровых устройств.
Увеличение коэффициента объединения по входам ИЛИ осуществляется за счет подключения к базовой ECL-ИМС логического расширителя. Однако на практике стремятся избежать применения логических расширителей, подключение которых существенно снижает быстродействие ИМС из-за значительных паразитных емкостей, что ограничивает параметр m в ECL БИС.
Для обеспечения высокой нагрузочной способности в состав серий ECL-ИМС включаются, микросхемы с мощным выходом (рис. 6), обеспечивающие n>30 при Cн>100 пФ. Возможна реализация ECL-ИМС, выходной каскад которой выполнен в виде повторителя со свободным эмиттером. Такая реализация выхода позволяет подключать в качестве нагрузки микросхемы с различными входными сопротивлениями. Это обеспечивает расширение логических возможностей по ИЛИ за счет объединения выходов ИМС без применения логических расширителей.
В качестве ЛЭ, дополняющих функциональные возможности типовых ECL-ИМС, применяются ИМС эмиттерной функциональной логики (EFL). Их особенностью является применение многоэмиттерных транзисторов (МЭТ), реализующих безынверсную функцию (рис. 7).
|
Применение в качестве выходного каскада элемента многоэмиттерного транзистора позволяет осуществлять соединение типа проводное ИЛИ и обеспечивает распараллеливание нагрузки.
Комбинация элементов EFL (функции И) с элементами ECL (функции ИЛИ-НЕ), которые хорошо согласуются в кристалле технологически и электрически, позволяет создавать узлы БИС с минимумов активных компонентов и более высоким функциональным быстродействием.
Большая потребляемая мощность элементов ECL является основным препятствием увеличения степени интеграции ECL-БИС, которая практически не может превысить 1000 вентилей в кристалле. При этом мощность рассеивания на кристалле может достигнуть 5…10 Вт, что потребует применения специальных конструктивных решений и систем охлаждения аппаратуры. Такими решениями могут быть теплоотводящие платы, радиаторы, охлаждающие жидкости и вентиляторы обдува, что значительно снизит эффект микроминиатюризации от внедрения БИС.
Важнейшее преимущество ECL-ИМС — наибольшее быстродействие по сравнению со всеми другими видами микросхем, а также высокая помехозащищенность благодаря значительным рабочим токам в цепях передачи информации определяют повсеместное применение ИМС в процессорах суперЭВМ с быстродействием до 
и более. К классу ECL (ЭСЛ) относятся, в частности, ИМС серий 100, 1500, 500.
Интегральные элементы инжекционной логики (И2Л)
Схемы интегральной инжекционной логики (ИИЛ), или И2Л-схемы, являются развитием схем с непосредственными связями (рис. 8).
Типовой И2Л-вентиль содержит транзисторную структуру n-p-n, включенную по схеме с общим эмиттером и выполняющую роль выходного инвертирующего усилителя, обеспечивающего развязку выходов для исключения их взаимного влияния, а также дополняющую транзисторную структуру p-n-p, включенную по схеме с общей базой и служащую для инжекции тока в базу выходного усилителя. Соответственно транзистор VT1 называют инжектором, а VT2 — инвертором (рис. 8, а). Эти транзисторы в многоступенчатой логической схеме совмещаются в объеме полупроводника, причем база транзистора p-n-p есть эмиттер транзистора n-p-n, а коллекторы транзисторов p-n-p есть базовые области транзисторов n-p-n. Это обеспечивает высокую плотность упаковки элементов инжекционных микросхем на кристалле.
Типовые многовходовые И2Л вентили с логикой ИЛИ-НЕ и И-НЕ приведены на рис. 8, в-е. Функция ИЛИ организуется объединением коллекторов выходных инвертирующих транзисторов, а функция И — подачей инверсных управляющих сигналов на входе и подключением дополнительного инвертирующего усилителя на выходе логической схемы.
|
Работа инжекционной микросхемы может быть рассмотрена на основе логического вентиля ИЛИ-НЕ (рис. 8, в, г). При уровнях логического 0 на входах X1, X2 ток инжектора через многоколлекторный транзистор VT3 не сможет поступить в базы транзисторов VT1, VT2 и они останутся запертыми, что приведет к формированию на выходе вентиля (Y1 и Y2) уровня 1. При поступлении логической 1 на любой из входов (это соответствует режиму запирания транзистора предшествующего каскада) инжектируемый ток через соответствующий коллектор транзистора VT3 поступит в базу транзистора схемы ИЛИ-НЕ (при X2=1 ток поступит в базу транзистора VT2) и откроет его, что приведет к формированию логического 0 на выходах Y1=Y2=0. (Логику работы схемы И-НЕ (рис. 8, д, е) предполагается рассмотреть самостоятельно).
Быстродействие переключения инжекционных микросхем определяется током инжектора, увеличение которого до определенного значения позволяет уменьшить задержку срабатывания вентиля. Однако, при значительном увеличении тока инжектора из-за накопления больших избыточных зарядов в активных областях, задержка срабатывания резко возрастает.
Повышение быстродействия реализуется при уменьшении геометрических размеров транзисторов, увеличении коэффициентов усиления, а также при создании И2Л-ИМС с небольшими логическими перепадами уровней сигналов. Логический перепад можно снизить в 2…3 раза за счет применения диодов Шотки, включенных последовательно между выходом одного логического каскада и входом другого. Вариант включения диодов Шотки приведен на примере инвертора (рис. 9).
|
Важной проблемой проектирования БИС на инжекционных элементах является обеспечение необходимой помехоустойчивости. Типовые И2Л-вентили имеют низкую помехоустойчивость к запирающим помехам (менее 0,1 В), что предопределило их использование преимущественно во внутренних узлах БИС. Для повышения помехоустойчивости во входных каскадах БИС применяют вентили с несколькими включенными последовательно базовыми диодами Шотки (помехоустойчивость к запирающим помехам увеличивается в 2…3 раза).
В заключение отметим, что И2Л-схемы весьма перспективны для построения БИС. Так отечественные микропроцессоры К583, К584 выполнены на базе схемотехники И2Л.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.
2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.
3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.
4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.
5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.
6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. - 160 с.
[*] приводим общепринятые в мировой практике обозначения разновидностей ИМС
Похожие работы
осхемы К155ЛА3 (4 логических элемента 2И-НЕ). Принцип работы ЛЭ И-НЕ ТТЛ Основная особенность микросхем ТТЛ состоит в том, что во входной цепи используется специфический интегральный прибор – многоэмиттерный транзистор (МЭТ), имеющий несколько эмиттеров, объединенных общей базой. Эмиттеры расположены так, что непосредственное взаимодействие между ними через участок базы отсутствует. Поэтому МЭТ ...
... вывод - "+5В", 7 вывод - "общий". Общее число типов проверяемых интегральных схем не более 256. Составить подпрограмму тестирования интегральной микросхемы К155ЛА1. 2. Инженерная интерпретация задачи Для разработки программно-аппаратного комплекса тестера использовали микроконтроллер КМ1816ВЕ51. Основные параметры микроконтроллера приведены в табл.2.1, условное графическое изображение - на ...
... микросхеме (рис.1). Его размеры близки к размеру чипа и на пластине расположено тестовых кристаллов столько же, сколько размещается интегральных микросхем. Применение тестовых микросхем и кристаллов позволяет организовать эффективный технологический контроль производства ИМС и сократить трудоемкость при проведении при проведении испытаний на надежность БИС, особенно на этапе отработки технологии ...
... устройства за счет исключения дополнительных элементов, реализующих операцию И; 2. Обеспечить работу нескольких выходов на общую шину, т.е. реализовать режим работы с разделением информации по времени. Базовые логические элементы эмиторно-связной логики Причиной появления БЛЭ ЭСЛ явилось желание повысить быстродействие цифровых устройств. Это желание привело к использованию в них совершенно ...
0 комментариев