ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 5432
Скачиваний: 12
16
U
ВЫХ
U
0
+0,9U
Л
U
0
+0,1U
Л
U
Л
t
З Р
1,0
t
З Р
0,1
t
Ф
1,0
t
Ф
0,1
U
ВХ
U
1
U
0
t
t
U
0
Рис. 8.5 — Временные зависимости переходного
процесса в логическом элементе
3
2
1
К
1
1
1
1
Выход
Т
Г
Рис. 8.6 — Схема кольцевого генератора
Эти ЛЭ имеют очень малые емкости нагрузки по сравнению
с входной емкостью измерительного прибора, например осцилло-
графа, поэтому непосредственно измерить среднюю задержку
одного ЛЭ крайне сложно.
Для уменьшения влияния входной емкости измерительного
прибора к выходу кольцевого генератора подключают усилитель
с малой входной емкостью, изготавливаемый на том же кристалле.
При единичной нагрузке каждого инвертора задержка, измеренная
17
в кольцевом генераторе, минимальна и служит для оценки пре-
дельного быстродействия ЛЭ. Кольцевой генератор удобен также
для измерения малых значений средней задержки (менее 1 нс),
поскольку период его колебаний в 2к
г
раз больше
. .
ЗД Р СР
t
.
При заданных импульсных параметрах транзисторов сред-
нюю задержку ЛЭ можно уменьшить в определенных пределах,
увеличив токи, потребляемые от источника питания, и уменьшив
тем самым времена перезаряда паразитных емкостей. Однако при
этом возрастает потребляемая мощность. Таким образом, между
средней задержкой и потребляемой мощностью ЛЭ существует
зависимость: чем меньше средняя задержка, тем больше потреб-
ляемая мощность. В связи с этим для сравнения ЛЭ различных
типов используют параметр, называемый работой переключения:
ПЕР
СР СР
A
P t
=
. (8.7)
Чем выше качество схемотехнической и конструкторско-
технологической реализации ЛЭ, тем меньше работа переключе-
ния. Большинство основных параметров ЛЭ сильно зависит
от напряжения источника питания
ИП
U
. При снижении
ИП
U
уменьшаются потребляемая мощность и работа переключения, но
ухудшаются помехоустойчивость, нагрузочная способность
и, как правило, снижается быстродействие. Заданные параметры
большинства типов ЛЭ могут быть обеспечены лишь в сравни-
тельно узком диапазоне отклонения напряжения питания от вы-
бранного номинального значения ±(5…10) %. Температурные
изменения электрических параметров транзисторов, диодов и ре-
зисторов, используемых в ЛЭ, обусловливают зависимости их
основных параметров от температуры. В связи с этим для микро-
схем всегда задается диапазон рабочих температур, в котором
значения их параметров не выходят за определенные границы.
Важную роль играют конструктивно-технологические параметры
и характеристики ЛЭ: площадь, занимаемая ЛЭ на кристалле (при
заданном минимальном топологическом размере), и количество
основных технологических операций, используемых при изго-
товлении микросхемы. Площадь ЛЭ наряду с потребляемой
мощностью определяет максимально достижимую степень инте-
грации, а количество основных технологических операций — про-
цент выхода годных микросхем и их стоимость. Для уменьшения
18
площади ЛЭ стремятся упростить их электрическую схему,
уменьшить число используемых в ней транзисторов, диодов и ре-
зисторов. При проектировании топологии и структуры ЛЭ для
снижения его площади уменьшают число карманов, размещая
там, где это возможно, несколько транзисторов или резисторов
в одном кармане. Используют поликремниевые пленочные рези-
сторы, сформированные на поверхности кристалла над транзи-
сторами. Для сопоставления ЛЭ различных типов при заданном
уровне технологии, характеризуемом минимальным топологиче-
ским размером, используют относительную площадь, выражае-
мую числом квадратов со стороной А (литографических квадра-
тов). За четыре десятилетия, прошедших с момента разработки
первых цифровых микросхем, были изобретены и исследованы
десятки типов ЛЭ. Их подробный анализ выходит за рамки дан-
ного курса. Основная цель поиска новых типов ЛЭ состоит
в улучшении тех или иных параметров: уменьшении площади
и потребляемой мощности, повышении быстродействия и т. д.
Важным стимулом к поиску являются новейшие достижения в
технологии микросхем, поскольку оптимальные ЛЭ могут быть
созданы только при органическом сочетании физических прин-
ципов работы, конструкции, технологии и схемотехники.
В настоящее время наиболее актуальны исследования и раз-
работки ЛЭ для БИС и СБИС, проводимые в четырех основных
направлениях. Первое развивается на основе кремниевых МДП-
транзисторов и позволяет получать максимальную степень инте-
грации (число элементов
6
10
÷
7
10 ) при достаточно высоком
быстродействии (средняя задержка 0,5...1 нс). Во втором направ-
лении используются кремниевые биполярные транзисторы
и обеспечивается повышенное быстродействие (средняя задержка
0,1...0,5 нс), но при меньшей степени интеграции. Третье направ-
ление позволяет достигать сверхвысокого быстродействия (сред-
няя задержка 50…200 пс) при числе элементов
3
10
÷
4
10 , оно раз-
вивается на основе арcенид-галлиевых МЕП-транзисторов. Чет-
вёртое направление основано на использовании новых физиче-
ских явлений. Ниже подробно рассмотрены только важнейшие
типы ЛЭ, нашедших наиболее широкое применение. Кроме того,
кратко описаны ЛЭ, которые согласно современным оценкам
представляются перспективными.
19
8.3
Элементы
транзисторно
-
транзисторной
логики
Отличительным признаком элементов ТТЛ является мно-
гоэмиттерный транзистор, включенный во входной цепи. Схема
простейшего элемента ТТЛ приведена на рис. 8.7. Она содержит
входной двухэмиттерный транзистор VТ1, в базовой цепи кото-
рого включен резистор R1, и выходной инвертор на транзисторе
VТ2, в коллекторной цепи которого включен резистор R2. Мно-
гоэмиттерный транзистор выполняет логическую операцию И
над входными логическими переменными А и В, а на выходе
элемента реализуется функция И-НЕ С = AB . Простейшие эле-
менты ТТЛ используют в БИС. Рассмотрим принцип действия
ЛЭ в статическом режиме, полагая, что он работает в составе це-
почки последовательно соединенных одинаковых ЛЭ. Выделим
в этой цепочке два соседних логических элемента ЛЭ1 и ЛЭ2
на рис. 8.8.
VT
1
С
Б2
R
2
R
1
А
В
U
ИП
С
Н
С
Б1
VT
2
Выход
C
AB
=
Вход 1
Вход 2
Рис. 8.7 — Схема простейшего элемента ТТЛ
VT
2
VT
2
VT
1
R
2
R
1
R
2
R
1
VT
1
U
′
Вх1
Вх2
U
ВЫХ
+U
ИП
= Е
К
Рис. 8.8 — Логические элементы в составе БИС
20
На рис. 8.9, а приведена эквивалентная схема логического
элемента с двумя входами (количество входов не имеет практиче-
ского значения для анализа) для момента времени, когда на обоих
входах логические нули (анализ останется справедливым и для
случая, когда логический ноль будет хотя бы на одном входе).
На рис. 8.9, б приведены статические вольт-амперные ха-
рактеристики переходов транзисторов и нагрузочная прямая
Б
R .
Э
3
Э
2
R
К
U
ВЫХ
R
Б
E
K
I
Б
β
Э
1
К
1
I
RБ
U
1
A
U
A
U
E
K
2
1
R
Б
I
Д
I
RБ
I
Б
а б
Рис. 8.9 — Эквивалентная схема логического элемента (а),
статические вольт-амперные и нагрузочная характеристики (б),
где Э
1
и Э
2
— эмиттерные переходы первого (многоэмиттерного) транзи-
стора; К
1
— коллекторный переход; Э
3
— эмиттерный переход второго
транзистора; 1 — вольт-амперная характеристика эмиттерных переходов
Э
1
, Э
2
; 2 — результирующая вольт-амперная характеристика последова-
тельно включенных коллекторного перехода первого транзистора К
1
и
эмиттерного перехода второго транзистора;
Б
I
β
— генератор тока, дей-
ствующий в коллекторной цепи второго транзистора;
1
A
U
— напряжение
в точке А для случая, когда на всех эмиттерах многоэмиттерного
транзистора сигнал равен логической единице
Напряжение в точке А равно падению напряжения на эмит-
терном переходе
A
U , смещенном в прямом направлении. Из
вольт-амперных характеристик (рис. 8.9, б) видно, что этого
напряжения недостаточно, чтобы последовательно включенные
коллекторный переход многоэмиттерного транзистора и эмит-
терный переход второго транзистора были смещены в прямом