Мікросхемотехніка цифрових інтегральних схем

Функціональний набір ІС - серія ІС - виконаний на ключах зі схожою мікросхемотехніка, тобто електричною схемою на кристалі і технологією виготовлення. Наприклад, ІС серії К155, в якій понад сотню ЛЕ малої і середньої інтеграції відноситься до транзисторних-транзисторної логіки (ТТЛ). Багато в чому за подібною мікросхемотехніки на біполярних транзисторах виконані і безліч інших вітчизняних серій ТТЛ:

¾ серія К134 - з малим споживанням, а й з низькою швидкодією;

¾ серія К130 - швидкодіюча, але і з підвищеним споживанням;

¾ серії К133 і К155 - так звані стандартні, з непоганим швидкодією і з помірним споживанням.

У цих серіях відміну схемотехніки ключів в величині перемикаються струмів, що визначають швидкодію. А це, головним чином, пов'язано з номіналом резисторів, які задають режим роботи.

Таким чином, прийнято об'єднувати під терміном логічна серія (логіка) безліч серій ІВ, що мають загальне Мікросхемние рішення базового елементу (логічного ключа).

Історично першим типом логіки, реалізованої у вигляді монолітних ІВ (кінець 50, початок 60 років), була резисторно-транзисторна логіка - РТЛ. базовий елемент якої показаний на рис 2.18. Вхідна логіка виконана на резисторах R1 -Rn. Спільно з базовими резисторами реалізується вхідні логічна функція АБО. Інвертор на транзисторі VT1 виконує інверсію сигналу. Показаний на рис 3.1. елемент описується функцією АБО-НЕ, таблиця стану і логічне позначення показані на цьому ж малюнку.

Рис 3.1. Базовий елемент РТЛ

Негативний джерело зміщення -Есм забезпечує надійне замикання транзистора і оптимальну перешкодозахищеність. У різних серіях варіювалося напруга живлення Еп від +3,5 В до 12 В. В останніх модифікаціях прийшли до значення, що став згодом стандартним Еп = + 5 В. При цьому вибиралося ЄСМ = -1,5 В. Ця логіка мала незадовільну навантажувальну здатність , значну затримку імпульсу при виключенні транзистора через його глибокого насичення, великий постійної часу перезарядження паразитних ємностей через високоомні резистори. Наявність резисторів великих номіналів вкрай не бажано в ІС, так як вони займають велику площу на кристалі, розсіюють значну потужність і мають великий технологічний розкид номіналів. Наявність двох джерел живлення ускладнювало експлуатацію. Головне достоїнство РТЛ - це була перша серія цифрових інтегральних схем, виконаних за монолітною технологією. Було випущено кілька вітчизняних серій РТЛ. Розробники апаратури набули досвіду роботи з ІС. На зміну прийшла діод-транзисторна логіка ДТЛ. базовий елемент якої показаний на рис 3.2. Вхідна логіка ДТЛ реалізована на діодах VD1 -VDn. Джерело базового зміщення замінений двома діодами VDсм1, 2. Напруга відмикання транзистора становить U б поріг = Uдсм1 + Uдсм2 + Uбе = 0,7 + 0,7 + 0,7 = 2.1 В, що забезпечує хорошу перешкодозахищеність. Швидкодія цієї схеми відносно невисоку, визначається параметрами ключа VT1. Стандартна напруга живлення більшості серій Еп = + 5 В. Для промислової апаратури, верстатів з числовим програмним управлінням, які працюють умовах високого рівня перешкод, випускалася високопороговимі ДТЛ з напругою Еп = + 15 В.

Рис 3.2. Базовий елемент ДТЛ

Вхідна логіка виконує логічну функцію І; спільно з інвертором загальна логічна функція елемента І-НЕ.

Якщо хоча б на одному вході буде низький рівень Х = Е 0. відповідний вхідний діод буде прямо зміщений. Напруга в вузлі А одно UА = (Е 0 +0,7) У, що недостатньо для відривання ланцюжка pn переходів (VDсм1. VDсм2. Uбе) Uоткр = 0.7 + 0.7 + 0.7 = 2.1 В. Струм бази дорівнює нулю, транзистор замкнений і на виході високий рівень.

Якщо на всі входи подано високі рівні Е 1 ³Uоткр. вхідні діоди VD1-VDn виявляються назад зміщені. Вхідний струм, що задається резистором R б Іб »Еп / Rб відкриває діоди VDсм. При Іб ³ Iбн. транзистор входить в режим насичення. На виході буде низький рівень.

Заміна високоомних резисторів вхідної логіки діодами поліпшила її технологічність, знизилася її вартість. Ця логіка прожила довге життя - близько двох десятиліть. Змінилося декілька поколінь цієї логіки, було випущено велику кількість серій. Надалі найпростіший транзисторний ключ був замінений складним інвертором. Це значно підвищило навантажувальну здатність і швидкодія.

Всі перераховані вище логіки непридатні для створення ІС високої інтеграції - БІС і НВІС; у них висока споживана і розсіює потужність, що створює проблему з теплоотводом від кристала. Високоомні резистори займають значну площу і не дозволяють щільно упакувати елементи. Тому паралельно створювалася схемотехніка ІС високої інтеграції.

Інжекційно-інтегральна логіка І 2 Л.

З цією логікою пов'язувалися великі перспективи. Дешева, технологічна, чудово пристосована для виробництва схем високої інтеграції. За технологією І 2 Л було випущено кілька мікропроцесорних комплектів, ІС пам'яті. Базовий елемент (рис 3.3) складається з транзисторного ключа VT1 і стабілізатора струму (інжектора) VT2 і вхідний логіки VD1-VDn. Інжектор VT2 являє собою схему з ПРО, виконану на транзисторі p-n-p. Фіксований ток Iстаб. формований стабілізатором струму, перемикається або в базу транзистора VT1, якщо на вході високі рівні, або через відповідний діод вхідний логіки, до якого прикладено низька напруга. Вхідна логіка виконана на діодах Шотткі VD1-VDn, спільно з інвертором реалізує функцію І-НЕ.

Рис 3.3. Базовий елемент І 2 Л

Транзисторний ключ VT1 включений з відкритим колектором. Навантаженням ключа є входи наступних ЛЕ.

Якщо на всі входи подано високий рівень, діоди назад зміщені. Струм Iстаб протікає через базу транзистора VT1, утримуючи його в режимі насичення; на виході низький рівень.

Якщо хоча б на одному вході присутній низький рівень, напруга на прямосмещенного переході діода Шотткі становить близько 0.4 В менше, ніж 0,7 В переходу база-емітер VT1; ток Iстаб замикається через відповідний діод на землю не потрапляючи в базу VT1. Транзистор VT1 замкнений, що відповідає на виході високого рівня.

Напруга живлення Еп відрізняється від стандартного і становить 1,0 ... 1.2 В. Тому і логічні рівні відрізняються від стандартних. На входах і виходах кристала БІС на инжекционной логіці вбудовані перетворювачі логічних рівнів для стикування зі стандартними ІС.

Перевагою цієї логіки є:

¾ висока технологічність (жодного резистора, одні p-n переходи), налагоджений технологічний процес, логічні рівні сумісні з існуючими ДТЛ, ТТЛ;

¾ мала споживана потужність;

¾ високий ступінь інтеграції;

¾ низька вартість.

Швидкодія визначається, головним чином, накопиченням і розсмоктуванням носіїв в базі. Ніяких заходів по підвищенню швидкодії не використовується, тактові частоти - десятки, сотні кГц, що на теперішній час абсолютно незадовільно. Згодом ця логіка була витіснена більш досконалої логікою на МДП-транзисторах.