Базовые логические элементы, страница 4

На транзисторах VT1, VТ2 и VТЗ выполнен токовый переключатель, обеспечивающий получение логических функций ИЛИ — НЕ (на коллекторе VТ2) и ИЛИ (на коллекторе VТЗ). В качестве генератора тока используется высокоомный резистор R5, включенный в объединенную эмиттерную цепь транзисторов VТ1, VТ2 и VТЗ. Источник опорного напряжения выполнен на транзисторе VТ4 и диодах VD1 и VD2. Опорное напряжение, уровень которого находится примерно посередине между уровнями, соответствующими 0 и 1, подается на базу транзистора VТЗ, поэтому транзистор VТЗ будет закрыт, если хотя бы на один из входов подано напряжение более высокого уровня (логическая 1) и открыт, если на всех входах имеется напряжение низкого уровня (логический 0). Логическая информация с коллекторов VТ2 и VТЗ поступает на базы выходных эмиттерных повторителей, выполненных на транзисторах VТ5 и VТ6. Эмиттерные повторители служат для увеличения нагрузочной способности ЛЭ и смещения уровней выходных напряжений для совместимости ЛЭ данной серии по входу и выходу.

Представителями ЛЭ ЭСЛ являются интегральные микросхемы 500-й серии.

Достоинством ЛЭ ЭСЛ является хорошо отлаженная технология их производства, обеспечивающая достаточно высокий процент выхода годных микросхем и их сравнительно низкую стоимость. Элементы ЭСЛ имеют более высокое быстродействие по сравнению с ЛЭ ТТЛ. Благодаря этому они получили широкое распространение в быстродействующей и высокопроизводительной вычислительной технике. Дифференциальные каскады ЛЭ ЭСЛ обеспечивают высокую помехоустойчивость, стабильность динамических параметров при изменении температуры и напряжения источников питания, постоянное, не зависящее от частоты переключения, потребление тока.

Недостатком ЛЭ ЭСЛ является высокая потребляемая мощность.

Логические элементы И²Л. ЛЭ И²Л выполняются в виде цепочки транзисторов с инжекционным питанием. Отличительной особенностью таких транзисторов по сравнению с БТ является наличие дополнительного электрода — инжектора. В этой структуре можно выделить два транзистора: горизонтальный токозадающий и вертикальный переключающий, соединенные так, как показано на рис. 5.11, б. Роль электронного ключа S обычно выполняет структура БТ, включенного с ОЭ и работающего в ключевом режиме.

Рис. 5.11. Принципиальная схема инвертора с инжекционным питанием

Смещение инжекторного перехода в прямом направлении достигается подачей на инжектор p-типа положительного напряжения, равного 1...1,5 В. С помощью электронного ключа S база транзистора VТ2 может подключаться к эмиттеру этого транзистора или к генератору тока (коллектору T1). Если ключ разомкнут (при этом входное напряжение имеет высокий уровень), то почти весь ток генератора поступает в базу транзистора VТ2. Транзистор открыт и насыщен, и его выходное напряжение составляет единицы или десятки милливольт (при условии, что к коллектору подключена нагрузка). При замкнутом ключе S почти весь ток генератора тока течет через ключ и лишь незначительная его часть поступает в базу транзистора VТ2. Транзистор находится в активном режиме вблизи области отсечки. Напряжение коллектора транзистора в этом режиме соответствует высокому уровню — примерно 0,8 В.

Таким образом, транзистор с инжекционным питанием можно рассматривать как инвертор или ЛЭ, выполняющий операцию НЕ.

На рис. 5.12 показана схема ЛЭ ИЛИ — НЕ на два входа. При поступлении логических нулей на оба входа транзисторы VТ1 и VТ2 закрыты и на выходе образуется логическая 1. Если хотя бы на один из входов поступает логическая 1, то соответствующий транзистор открыт и насыщен и на выходе, являющемся объединением всех коллекторов, устанавливается логический 0.

Рис. 5.12. Упрощенная схема ЛЭ 2ИЛИ – НЕ инжекционной логики

Достоинствами ЛЭ И²Л являются высокая степень интеграции, большое быстродействие, способность работать при очень малых токах (единицы наноампер) и малых значениях питающих напряжений.

5.5. Базовые логические элементы на МДП- и КМДП-структурах. Базовым элементом логических ИМС на МДП-транзисторах является инвертор (элемент НЕ). На рис. 5.13 показаны схемы инверторов на МДП-транзисторах с каналом p-типа с одним (а) и двумя (б) источниками питания.

Рис. 5.13. Схемы инверторов на МДП-транзисторах (а, б) и графики входных и выходных напряжений (в)

Транзисторы VT1 обеих схем имеют более узкие и длинные каналы по сравнению с транзисторами VТ2. Поэтому если оба транзистора VТ1 и VТ2 открыты, то . Если , т.е. , то транзисторы VТ2 оказываются открытыми. Так как при этом , то напряжение на выходе близко к нулю (рис. 5.13, в).

Если , т. е. , то транзисторы VТ2 закрываются, а транзисторы VТ1 находятся на грани запирания. При этом  и на выходе устанавливается напряжение с низким отрицательным уровнем, соответствующим логической 1.

Включение в цепь затвора транзистора VT1 дополнительного источника напряжения  повышает помехоустойчивость ЛЭ.

На рис. 5.14, а показана схема двухвходового ЛЭ ИЛИ — НЕ, выполненного на комплементарных МДП-транзисторах. Параллельно соединенные транзисторы VТЗ и VТ4 с каналом n-типа являются управляющими, а транзисторы VТ1 и VТ2 с каналом p-типа — нагрузочными. Управляющие транзисторы образуют нижнее, а нагрузочные — верхнее плечо делителя, с которого снимается выходное напряжение.

Рис. 5.14. Схемы логических элементов ИЛИ — НЕ (а) и И — НЕ (б) на КМДП-транзисторах

Если на входах  и  напряжение низкого уровня: , то транзисторы VТЗ и VТ4 закрыты. Исток транзистора VТ1 с каналом p-типа подключен к плюсу источника , поэтому напряжение его затвора  и превышает по абсолютному значению пороговое напряжение. Транзистор VТ1 открыт, сопротивление его канала мало и напряжение истока транзистора VТ2 близко к напряжению . Следовательно, транзистор VТ2 также открыт, и сопротивление верхнего плеча оказывается значительно меньше, чем сопротивление нижнего плеча. На выходе устанавливается напряжение высокого уровня, близкое к напряжению источника питания.

Если хотя бы на один вход  или  поступает напряжение высокого уровня, то соответствующий транзистор нижнего плеча открывается, а верхнего плеча — закрывается. На выходе образуется напряжение низкого уровня, близкое к нулю.

В логических элементах И — НЕ КМДП-ТЛ (рис. 5.14, б) управляющие МДП-транзисторы с каналом n-типа VТЗ и VТ4 включены последовательно, а нагрузочные с каналами p-типа — параллельно. Сопротивление нижнего плеча будет мало в том случае, если открыты оба транзистора VТЗ и VТ4, т.е. когда на входах  и  действуют напряжения, соответствующие логическим единицам. При этом  и соответствует логическому нулю. Если на одном из входов будет напряжение низкого уровня, то один из транзисторов VТ1 или VТ2 открыт, а один из транзисторов VТЗ или VТ4 закрыт. При этом сопротивление верхнего плеча значительно меньше, чем сопротивление нижнего плеча, и уровень выходного напряжения соответствует логической единице.

Логические элементы КМДП-ТЛ отличаются малым потреблением мощности (десятки нановатт), достаточно высоким быстродействием (до 10 МГц и более), высокими помехоустойчивостью и коэффициентом использования напряжения источника питания (). Их недостатком является большая сложность изготовления по сравнению с ЛЭ МДП-ТЛ.