Исследование элементов

 

ОГЛАВЛЕНИЕ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ.

    Цель  данной работы состоит в том, чтобы  исследовать элементы цифровой схемотехники.

    Задача  состоит в том, чтобы изучить  базовые логические элементы интегрально-инжекционной логики (И²Л). Найти сведения о счетчиках, изучить принцип их действия и построения. На основе найденных и изученных данных о счетчиках, разработать суммирующий счетчик на JK-триггерах с модулем счета 64. Изучить принцип построения преобразователя кодов и разработать его модель, имеющую на входе двухэлементный код, а на выходе пяти элементный код. 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ [И²Л]

    Тенденция постоянного роста уровня интеграции БИС связана с решением следующих  основных задач: обеспечение низкой мощности потребления, повышение быстродействия БИС, сокращение числа операций технологического цикла их изготовления. Требования по быстродействию и мощности рассеяния принципиально несовместимы. Незначительный резерв для решения этих двух задач, заключавшийся в оптимизации параметров известных схем и позволявший обеспечить максимальное быстродействие при заданной мощности рассеяния, был практически исчерпан к концу 60-х годов. До начала 70-х годов МДП-технология по своим свойствам настолько лучше подходила для построения БИС, что даже невысокое быстродействие МДП-схем было вполне приемлемым и допустимым. Причины отставания технологии биполярных БИС были связаны с традиционным схемотехническим и конструктивным подходом к проектированию схем: применение высокоомных резисторов для снижения мощности потребления, что, в свою очередь, резко увеличивало используемую площадь подложки и постоянные времени схем; использование значительной части подложки для изоляции компонентов схем.

    Низкая  эксплуатационная надежность БИС на МДП-схемах, постоянно растущие требования по быстродействию БИС заставляли разработчиков интегральных схем искать пути по созданию БИС на биполярных приборах, так как вне конкретных схем биполярный транзистор представляет собой намного лучший цифровой прибор, чем МДП-транзистор. Наиболее полно это преимущество проявляется при рассмотрении соответствующих величин произведения мощность × задержка.

    

    Новым и чрезвычайно перспективным  направлением в области развития биполярных БИС явились разработанные почти одновременно специалистами фирм «Philips» и «IBM» интегральные инжекционные логические схемы (элементы И²Л-типа), иногда называемые совмещенной транзисторной логикой (СТЛ) или схемами с инжекционным питанием.

    Происхождение базового элемента И²Л-типа и принцип его работы наиболее удобно объяснить, разобрав работу известной транзисторной схемы ТЛНС-типа с непосредственными связями рис. I. 1. 
 

    Рис. I. 1. Первый этап получения элемента И²Л-типа из элементов ТЛНС-типа. 

    Если транзисторы с электрически соединенными базами объединить в одной области и отнести к ней и резистор R, то получится схема, показанная на рис. I. 2. 

    Рис. I. 2. Второй этап получения элемента И²Л-типа из элементов ТЛНС-типа.

    

      Заменим теперь резистор R активным генератором тока Г_т, а транзисторы с электрически соединенными базами — одним многоколлекторным транзистором (последнее можно сделать, так как все транзисторы в элементах ТЛНС-типа имеют общий заземленный эмиттер). Полученная схема базового элемента И²Л-типа приведена на рис. I. 3. 

    Рис. I. 3. Базовый элемент И²Л-типа. 

      Генератором тока в базовом элементе может служить транзистор р-п-р-типа, показанный на рис. I. 4.  

          Рис. I. 4. Транзистор р-п-р-типа.  

    Ток задается с помощью инжекции неосновных носителей в эмиттерную область транзистора n-p-n-типа. Именно способ задания базового тока в переключаемый транзистор n-p-n-типа с помощью инжекции неосновных носителей в область эмиттерного перехода и явился причиной того, что данная схема стала называться интегральной инжекционной логической схемой.

    

    В первых реальных образцах элементов  И²Л-типа разработчики использовали инжекцию неосновных носителей с помощью света. В логических схемах, выполненных на элементах И²Л-типа, инжектор, которым является эмиттер транзистора р-п-р-типа, соединяется с источником питания через резистор R_и, сопротивление которого обеспечивает необходимый ток. Как правило, инжектор является общим для всех вентилей, из которых состоит логическая схема.

    Из  рис. I. 4 видно, что база транзистора n-p-n-типа является одновременно коллектором транзистора р-п-р-типа (генератора тока), а база транзистора р-п-р-типа — эмиттером транзистора n-p-n-типа. Структура базового элемента И²Л-типа представлена на рис. I. 5, откуда видно, что на кремниевой пластине весь базовый элемент размещается на площади, обычно занимаемой одним многоэмиттерным транзистором стандартного элемента ТТЛ-типа.  

    Рис. I. 5. Базовый элемент И²Л-типа. 

    На  рис. I. 5 стрелками обозначены структуры горизонтального транзистора р-п-р-типа и вертикального транзистора n-p-n-типа. Для последнего площади коллекторов меньше площади эмиттера, т. е. транзистор работает в инверсном включении. Это в значительной степени определяет технологию изготовления элементов И²Л-типа и создает основные трудности при их реализации. Например, для увеличения быстродействия вентиля нельзя использовать легирование золотом, так как оно уменьшает инверсный коэффициент усиления по току транзисторов.

    Итак, принципы, на которых основано конструктивное и схемное отличие элементов И²Л-типа от типовых биполярных схем, заключаются в следующем:

• используется совмещение электрически связанных однородных областей полупроводника в одном кристалле;

    

• традиционный  способ питания цепей базы и коллектора транзисторов через резисторы заменен непосредственным введением избыточных подвижных носителей зарядов в базу переключаемых транзисторов.

    Существенным  преимуществом И²Л-элементов является то, что схема, выполненная на них, может работать в широком диапазоне токов (10^-8—10^-3 А). Это позволяет изменять ее рабочую частоту простым изменением тока инжектора и значительно (на четыре-пять порядков) уменьшать ток в схеме без нарушения ее логического состояния в тех случаях, когда она не работает в предельном частотном режиме или вообще должна находиться в нерабочем состоянии.

    Инжекционные  логические схемы способны работать при сверхмалых токах (1 нА), в связи  с чем возникает проблема токовой совместимости с другими логическими элементами, например ТТЛ-типа. Базовая схема И²Л-типа (рис. I. 3) может быть использована в качестве усилителя тока, если принять во внимание то обстоятельство, что выходной ток открытого вентиля пропорционален в широком диапазоне площади его коллекторной n⁺-области. Поэтому получить усиление тока можно с помощью каскадирования элементов И²Л-типа с соответствующим увеличением площади коллекторов от каскада к каскаду (рис. I. 6). 

    Рис. I. 6. Схема усилителя тока на элементах И²Л-типа (а) и его топология (б)

    

    

      Этот принцип широко используется  для построения преобразователей уровней, а также цифроаналоговых преобразователей.

    Элемент И²Л-типа характеризуется входной, передаточной и выходной характеристиками. Выходная цепь элемента и соответствующая ей выходная характеристика приведены соответственно на рис. I. 7 и I. 8.  

    Рис. I. 7. Выходные цепи схем на элементах И²Л-типа.

      

    Рис. I. 8. Выходная характеристика выходных цепей схем на элементах И²Л-типа. 

    Входная внешняя цепь, т. е. цепь, на которую  поступают сигналы от других элементов, должна выполняться с учетом совместимости входных и выходных сигналов. Это требование удовлетворяют элементы ТТЛ-типа, поэтому на рис. I. 9 приведена одна из возможных схем входной внешней цепи элемента И²Л-типа, согласованная с уровнями ТТЛ.

      

    Рис. I. 9. Входные цепи схем на элементах И²Л-типа. 

    Входная характеристика этой цепи приведена на рис. I. 10.

     
Рис. I. 10. Входная характеристика входных цепей схем на элементах И²Л-типа.  

    Входная характеристика собственно базового элемента И²Л-типа (рис. I. 11) представлена на рис. I. 12 откуда видно, что , а логический перепад составляет около 0,6 В. Передаточная характеристика базового элемента И²Л-типа напоминает аналогичную характеристику нагруженного элемента ТЛНС-типа.

      

    Рис. I. 11. Схема базового элемента И²Л-типа. 

    Рис. I. 12. Входная характеристика схемы базового элемента И²Л-типа.

     

    Рассмотрим  реализацию простейших логических операций на элементах И²Л-типа и методы проектирования сложных логических схем.

    Элементарная  логическая операция НЕ легко реализуется на одноколлекторном базовом элементе И²Л-типа (рис. I. 13). 

    Рис. I. 13. Одноколлекторный базовый элемент И²Л-типа. 

      На рис. I. 14 показана топология   инвертора, а на рис. I. 15 - его обозначение.

    

    

    Рис. I. 14. Топология   инвертора. 
 

    Рис. I. 15. Обозначение инвертора. 

    Отличительной особенностью элемента И²Л-типа по сравнению с исходной схемой ТЛНС-типа является то, что с целью устранения эффекта перехвата базового тока, который имеет место в схемах ТЛНС-типа, в элементах И²Л-типа каждый переключающийся транзистор питается от индивидуального источника тока в цепи его базы, а проблема равномерного распределения выходного сигнала между «параллельно» включенными нагрузками решается с  помощью многоколлекторного транзистора, причем каждый коллектор в элементе И²Л-типа рассматривается как независимый источник выходного сигнала.

    Наличие нескольких коллекторов позволяет  получить развязанные логические выходы для одной ключевой схемы, что существенно облегчает задачу построения сложной логической схемы.  

    Рис. I. 16. Схема НЕ. 

    Так, на рис. I. 16 приведена схема НЕ, к которой    подключены три нагрузки, на рис. I. 17 показана ее топология, а на рис. I. 18 условное обозначение

      

    Рис. I. 17. Топология схемы НЕ.

     
Рис. I. 18. Условное обозначение схемы НЕ. 

    Обозначение инвертора с тремя нагрузками для элемента И²Л-типа отличается от обозначения любого другого стандартного инвертора (рис. I. 19). 
 

    Рис. I. 19. Условное обозначение инвертора с тремя нагрузками для элемента И²Л-типа. 

    Логическая  схема ИЛИ —НЕ  (рис. I. 20) является основной при создании более сложных цифровых схем.

    

      
 

    Рис. I. 20. Схемы ИЛИ —НЕ и ИЛИ на элементах И²Л-типа и их топология. 

    Логическая  схема И на любое число входов реализуется без использования  транзисторов, если входные логические сигналы поступают с коллекторов транзисторов (часть схемы рис. I. 21, а, выделенная жирными линиями).  

    Рис. I. 21. Схемы И и И — НЕ на элементах И²Л-типа и их топология