ГЛАВА 8 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 1 страница

8.1. Классификация интегральных схем

Интегральная схема — микроэлектронное устройство, изготов­ленное на полупроводниковом кристалле (или пленке) и помещен­ное в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой пони-

мают собственно кристалл с электронной схемой, а под микросхе­мой — ИС, заключенную в корпус. В основном микросхемы изго­тавливают в корпусах для поверхностного монтажа.

Интегральные схемы можно классифицировать по ряду незави­симых признаков. Классификацию не надо отождествлять с марки­ровкой интегральных схем. Компании, работающие на рынке ра­диоэлектронных компонентов, ставят перед разработчиками, про­изводителями, а также студентами и радиолюбителями проблемы идентификации электронных приборов. Язык маркировки со вре­менем меняется и дополняется.

Степень интеграции (количество элементов в кристалле): малая интегральная схема (МИС) — до 10²; средняя интегральная схема (СИС) — до 10³; большая интегральная схема (БИС) — до 10⁴; сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 10⁶; ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 10⁹. Технология изготовления: г/ полупроводниковая микросхема — все элементы и межсоедине­ния выполнены на одном полупроводниковом кристалле;

пленочная микросхема — все элементы и межэлементные со­единения выполнены в виде пленок. Различают толстопленочные и тонкопленочные интегральные схемы;

гибридная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит навесные компоненты в виде бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещен­ных в один корпус.

Топологические нормы. В качестве характеристики технологиче­ского процесса производства микросхем указывают топологиче­скую норму (ширину полосы) фотоповторителя и размеры транзи­сторов и производных элементов на кристалле. Этот параметр на­ходится во взаимозависимости с рядом других: чистотой получае­мого кремния, характеристиками инжекторов, методами травления и напыления. В 1970-х гг. ширина полосы составляла 2...8 мкм, в 1980-х была улучшена до 0,5...2 мкм. Некоторые эксперименталь­ные образцы рентгеновского диапазона обеспечивали 0,18 мкм. В начале 1990-х процессоры (например, ранние Pentium и Pentium Pro) изготавливали по технологии, позволяющей получать 0,5...0,6 мкм. Потом их уровень поднялся до 0,25...0,35 мкм. Следующие процес­соры (Pentium 2, К6-2+, Athlon) уже выполнялись по топологической норме 0,18 мкм. В конце 1990-х гг. фирма «Texas Instruments» создала новую ультрафиолетовую технологию, позволяющую получать 0,08 мкм. Но достичь ее в массовом производстве не удавалось вплоть

до недавнего времени. Она постепенно продвигалась к нынешнему уровню, совершенствуя второстепенные детали. По обычной техно­логии удалось обеспечить топологическую норму 0,09 мкм.

Новые процессоры делают по новой УФ-технологии (0,045 мкм). Есть и другие микросхемы, давно достигшие и превысившие дан­ный уровень (в частности, видеопроцессоры и АазЬ-память фирмы «Багшиг^» — 0,04 мкм). Тем не менее дальнейшее развитие техноло­гии вызывает все больше трудностей. Сейчас альянс ведущих разра­ботчиков и производителей микросхем работает над технологиче­ским процессом для получения 0,032 мкм.

Функциональное назначение:

Аналоговые микросхемы предназначены для обра­ботки входных и выходных сигналов, заданных в виде непрерыв­ной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания:

операционные усилители; генераторы сигналов; фильтры;

усилители различных диапазонов;

аналоговые умножители;

стабилизаторы источников питания;

микросхемы управления импульсных блоков питания;

преобразователи сигналов.

Цифровые микросхемы предназначены для обра­ботки входных и выходных сигналов, заданных в виде дискретной функции в диапазоне от положительного до отрицательного на­пряжения питания:

логические элементы;

запоминающие устройства;

триггеры;

счетчики;

регистры;

шифраторы;

дешифраторы;

микроконтроллеры;

микропроцессоры;

однокристальные микрокомпьютеры.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов: цифроаналоговый преобразователь — ЦАП; аналогово-цифровой преобразователь — АЦП.

физико-технологические принципы. Основными элементами микросхем являются биполярные или полевые транзисторы. Раз­ница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании мик­росхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микро­схемы. В современных технологиях объединяют технологии бипо­лярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения харак­теристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные по потреблению тока:

МОП-логика — микросхемы из полевых транзисторов «-МОП- или р-МОП-типа;

КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый ло­гический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняю­щих (комплементарных) полевых транзисторов («-МОП и /?-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисто­рах:

ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сде­ланы из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисто­рами;

ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шот- тки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используют биполяр­ные транзисторы с диодом Шоттки;

ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзи­сторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили ^в режим насыщения, что существенно повышает быстродействие;

И²Л — интегрально-инжекционная логика.

КМОП- и ТТЛ (ТТЛШ)-технологии являются наиболее ис­пользуемыми логическими микросхемами. Экономичной является КМОП-технология, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности, применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества. С развитием технологий ТТЛ- и КМОП-микросхе- мы сближаются по параметрам. Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболее энер­гопотребляющими и применялись при производстве вычислитель­ной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления.

Конструктивный признак. Микросхемы выпускают в двух конст­руктивных вариантах: корпусном и бескорпусном. Микросхема бес- корпусная — это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку. Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и /uni соединения с внешними электриче­скими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса. Число стандартных корпу­сов исчисляется сотнями!

В отечественных корпусах расстояние между выводами измеря­ется в миллиметрах и наиболее часто это 2,5 или 1,25 мм. В им­портных микросхемах расстояние измеряют в дюймах, используя 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах (до 16 выводов) эта разница незначительна, а при большем числе выводов разница требует новых конструктивных решений. В совре­менных импортных корпусах для поверхностного монтажа приме­няют и метрические размеры: 0,8; 0,65 мм и др.

Серия микросхем — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения. Микросхемы одной серии, как пра­вило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согла­сованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигна­лов.

8.2. Логические ИС

Элементы логики. Электронные схемы, выполняющие простей­шие логические операции, называют логическими элементами ИС. Такие элементы используют в цифровых схемах в качестве основ­ных элементов. Они и определяют параметры микросхемы. Логи­ческие элементы представляют собой техническую модель логиче­ских выражений булевой алгебры.

В алгебре логики различные логические выражения могут при­нимать только два значения: «истинно» или «ложно». Для обозна­чения истинности используют цифру 1, ложности — 0. Исчисле­ние, в котором используются только две цифры, называют двоин- ным исчислением. В алгебре логики используют три основные опе­рации.

Логическое отрицание, или инверсию, называют операцией НЕ и обозначают чертой над переменной.

Логическое сложение, или дизъюнкция, — операция ИЛИ для двух переменных *1 и х₂ записывается как у = х_х + х₂ = х_{ V х₂. Знак «+» может быть заменен знаком «V», обозначающим логическое сложение. Логическое ИЛИ определяется как у = I, если х_{ = 1 или Х₂ = 1, или XI = х₂ = 1.

Логическое умножение, или конъюнкция, — операция И для двух переменных записывается в виде у = х\ х х₂ = х\ а х₂. Знак «х» мо­жет быть заменен знаком «л», обозначающим логическое умноже­ние. Логическое И для двух переменных представляется как у = 1 только в том случае, если х\ = 1 и х₂ = 1.

Существует множество комбинаций логических операций как для двух, так и для многих переменных. Например, комбинация операций ИЛИ и НЕ формирует функцию ИЛИ — НЕ: у = х₁ Vх₂,

а комбинация И и НЕ функцию И — НЕ: у = х_{ А х₂. В двоичной

логике число возможных сочетаний из п аргументов равно 2", а число логических функций — 1^2п.

Логические элементы могут быть реализованы с помощью раз­личных физико-технических принципов: электромеханического, пневматического, оптического и т.п. Совокупность требований по быстродействию, массогабаритным размерам, надежности, энерго­потреблению лучше всего реализуется в цифровых интегральных схемах.

Логические схемы можно реализовать на различной элементной базе, имеющей два положения 1 и 0. Вначале логические операции были реализованы на телефонных реле, которые имеют положе­ния: открыто и закрыто. Затем были дискретные диоды, транзисто­ры. Рассмотрим примеры реализации логических схем на биполяр­ных и униполярных транзисторных ключах (рис. 8.1, а, б).

Ключи характеризуются двумя устойчивыми состояниями — разомкнутым и замкнутым. Аппаратное решение можно получить, соединяя соответствующим образом логические элементы.

Основной характеристикой логического элемента, в том числе транзисторного ключа, является передаточная характеристика (рис. 8.1, в). Она представляет собой зависимость выходного на­пряжения £4ых ^от напряжения на одном из входов при условии со­хранения постоянных напряжений на остальных входах. Для тран­зисторных ключей передаточная характеристика определяется вы­ражением £/_Вых ⁼ Д^4х)- По виду передаточной характеристики раз­личают инвертирующие и неинвертирующие логические элементы.

+Ек

Рис. 8.1. Транзисторный ключ на биполярном (а) и МДП-транзисторе {б) и инвер­тирующая передаточная характеристика (в)

К инвертирующим элементам относят схемы типа НЕ, И — НЕ, ИЛИ — НЕ и др., на выходе которых получают инверсные по от­ношению к выходным логические сигналы.

К неинвертирующим логическим элементам относят схемы типа И, ИЛИ и др., на выходе которых получают прямые по отно­шению к входным логические сигналы.

Транзисторные ключи относят к инвертирующим логическим элементам. Для них различают два устойчивых состояния: разомк­нутое, соответствующее точке А, и замкнутое — точке В (см. рис. 8.1, в). В точке А ключ разомкнут, и на него подают большое напряжение (при малом входном). С увеличением входного напря­жения ключ срабатывает, транзистор открывается, и все напряже­ние падает на нагрузочном сопротивлении (/?б или /?_с). Напряже­ние на выходе близко к нулю.

Входные и выходные сигналы имеют дискретные уровни, кото­рые и определяются передаточной характеристикой.

Следует заметить, что форма передаточной характеристики ме­жду точками А и В определяет помехоустойчивость. Штриховой ли­нией на рис. 8.1, в обозначен возможный разброс значений С < С< С" на интервале 16У, Щ*I, который не влияет на точки А и В. Следовательно, ключи, а значит, и цифровые схемы, малочув- 182

а'льны к разбросу параметров, температурному дрейфу, вре­менному изменению параметров, внешним электромагнитным на- „одклм, собственным шумам.

Входные напряжения, определяющие границы участков, назы­вают порогами переключения и\ и Ц°_в, которые определяют ширину переходной области. Разность напряжений логической 1 и 0 назы- нают логическим перепадом и определяют как

и_Л = и\ - и°_в.

Помимо логических сигналов на входах может появиться на­пряжение помех, которое либо повышает, либо понижает входное напряжение. Это может привести к сбоям в работе логических эле­ментов. Для повышения помехоустойчивости логических элемен­тов необходимо увеличивать логический перепад и уменьшать ши­рину переходной области.

Входная характеристика представляет собой зависимость вход­ного тока от напряжения на данном входе при постоянных напря­жениях на остальных входах: для биполярного ключа /_Б - А14х)> а для униполярного —/3 = Д(/_вх).

Выходная характеристика представляет собой зависимость вы­ходного напряжения от выходного тока: для транзисторного бипо­лярного ключа /к = Д£/_Вых), а для транзисторного униполярного ключа — /_с = £/_вых). Эти характеристики мог>т строиться для на­

пряжений низкого и высокого уровней на выходе.

Нагрузочная способность п, или коэффициент разветвления, на выходе характеризует максимальное число логических элементов, которые можно одновременно подключить к его выходу.

Коэффициент объединения по выходу т характеризует расшире­ние логических возможностей элемента за счет выполнения функ­ций над большим числом логических переменных.

Быстродействие логического элемента оценивают средним вре­менем задержки распространения сигнала, по существу определяю­щее среднее время выполнения логической операции.

В схемах, реализующих логические функции, логические нули и логические единицы представлены различными значениями на­пряжения — уровнем нуля и⁰ и уровнем единицы II¹. Если и¹ _ ц° > о, то схема работает в положительной логике, если С/⁰ — и¹ > 0, то схема работает в отрицательной логике. Между поло­жительной и отрицательной логикой принципиальной разницы нет.

Логические элементы по режиму работы делятся на статиче­ские и динамические. Статические логические элементы могут рабо­тать как в статическом, так и в импульсном или динамическом ре-

жимах. Динамические логические элементы могут работать только в импульсном режиме. В микроэлектронике различают комбинаци­онные и последовательностные схемы.

Комбинационные логические схемы — это схемы без запомина­ния переменных. Они состоят из логических элементов для выпол­нения заданных операций над входными сигналами. Наиболее рас­пространенными являются следующие типы комбинационных схем.

Шифратор (кодировщик) — операционный элемент, преобра­зующий единичный сигнал на одном из п входов в т-разрядный выходной код.

Дешифратор (декодировщик) — операционный элемент, преоб­разующий «-разрядный входной код в сигнал только на одном из своих т выходов. Логические функции, а затем и схему дешифра­тора составляют по таблицам истинности.

Мультиплексор — операционный элемент, осуществляющий ад­ресное переключение заданного числа входных сигналов на один выход в зависимости от управляющего кода.

Демультиплексор — операционный элемент, осуществляющий адресное подключение одного входного сигнала к одному из мно­жества выходов.

Компаратор — операционный элемент, производящий сравне­ние двух чисел х\ и х₂. Результат сравнения отображается единич­ным логическим уравнением.

Сумматор — операционный элемент, выполняющий операцию сложения нескольких чисел.

В классификации интегральных схем эти устройства вполне ло­гично отнесены к цифровым устройствам, потому что используют­ся для преобразования информации.

Последовательностными логическими схемами называют схе­мы, состояние выходов которых зависит от последовательности смены состояний на их входах. Они могут запоминать переменные, выходные сигналы которых зависят не только от значения входных сигналов в данный момент времени, но и от последовательности значений входных сигналов в предшествующие моменты времени. Последовательностные схемы собирают из комбинационных путем введения в них обратных связей. Последовательностными логиче­скими схемами являются:

триггер — последовательностный элемент с двумя устойчивыми выходными состояниями;

регистр — последовательностный операционный элемент, пред­назначенный для хранения и(или) преобразования многоразрядных

двоичных чисел. Регистр состоит из набора триггеров, число кото­рых равно разрядности хранимых чисел;

счетчик, — последовательный операционный элемент, предна­значенный для счета импульсов, поступающих на вход. Конструк­тивно счетчик состоит из цепочки триггеров, число которых опре­деляет его разрядность.

Перечисленные устройства относятся к времязадающим. К по­следовательностным схемам относятся также и запоминающие уст­ройства.

Логические ИС на биполярных транзисторах. Различают три ос­новные группы логических элементов ИС, реализованных на бипо­лярных транзисторах.

Первая группа — логические схемы с передачей выходного тока или напряжения на вход нагрузочного элемента. В эту группу вхо­дят логические элементы транзисторной логики с непосредствен­ной связью, транзисторной логики с резистивной связью (РТЛ), транзисторной логики с резистивно-емкостной связью (РЕТЛ) и интегральной инжекционной логики (И²Л). Логические схемы РТЛ, РЕТЛ практически уже не применяют. Они представляют только методический интерес.

Вторая группа — ИС с логикой на входе (конъюнкция и дизъ­юнкция) и с передачей входного тока на выход управляющего эле­мента. В эту группу могут быть включены логические элементы ди­одно-транзисторной логики (ДТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), в том числе ТТЛШ, диодно-транзисторной логики с Дополнительной симметрией (ДСДТЛ), модифицированной диод­но-транзисторной логики (МДТЛ) и транзисторной логики с пере­менным порогом (ППТЛ). Схемы логики ДТЛ также потеряли практическое значение.

Третью группу образуют логические ИС с эмиттерной связью и токовым переключением. К ним относятся элементы эмиттер- но-связанной логики (ЭСЛ), эмиттерно-связанной логики с эмит- терным повторителем (ЭЭСЛ), эмиттерно-связанной логики с до­полнительной симметрией (ДСЭЛ).

Рассмотрим каждую из групп и приведем некоторые характери­стики логических схем.

Логические элементы с передачей тока или напряжения. В ходе развития дискретной полупровод­никовой электроники возникла принципиально новая неизвестная в дискретной электронике логика — интегральная инжекционная ло­гика (И²Л). В основе интегральной инжекционной логики лежат функционально интегрированные транзисторные структуры (см. 7.3.3)

(рис. 8.2, а). Транзистор Т₂ называют токозадающим. Он состоит из инжектора, который эмиттирует носители заряда-дырки в эмиттер- ную область многоколлекторного транзистора 7з. Транзистор Т₂ представляет собой -/^-структуру и расположен горизонтально. Многоколлекторный инвертирующий транзистор Г₃ П2-р₂-п_гтта. расположен вертикально и имеет общий эмиттер Э. Эмиттерная область представляет собой сильно легированное основание под­ложки. Эмиттерная область транзистора Т_г одновременно служит базой токозадающего транзистора Т₂ и Т\. Инвертор включается тогда, когда ток инжектора Т₂ отбирается из базы многоколлектор­ного транзистора 7з в другую цепь, например предшествующей структуры в схеме. Такое включение может быть обеспечено за счет соответствующего уменьшения входного напряжения 11_вх. Это напряжение управляет смещением на эмиттерном переходе инвер­тора.

Элемент И²Л обычно реализует функции ИЛИ — НЕ. Наличие многоколлекторного инвертора позволяет осуществить логическую развязку без дополнительных схемных элементов. Оригинальность схемотехнического решения сочетается с оригинальностью техно­логического решения.

Инжектор реализуется в виде длинной /7-полоски, выполненной на этапе базовой диффузии. Базой /?-я-/>-транзистора является эпи­таксиальный «-слой, а коллекторами — базовые слои я-р-я-транзи-

сторов. Расположение р-п-р-транзисторов относительно инжектора мо­жет быть как перпендикулярным, так и параллельным. На рис. 8.2, 6 приведена топология элемента И²Л.

Преимущество И²Л — отсутствие изолирующих карманов и ре­зисторов, приводящих к экономии площади, уменьшению напря­жения питания, мощности и времени задержки. Малая емкость коллектора, малое остаточное напряжение на насыщенных транзи­сторах обусловлено низкоомным слоем я⁺-коллектора. Структуры с инжекционным питанием достаточно универсальны. Они могут ис­пользоваться для построения арифметических устройств, устройств памяти, логики. И²Л-схемы хорошо согласуются с ТТЛ- и ДТЛ- схемами.

Логические элементы с логикой на входе. ДТЛ (рис. 8.3) отличается от предыдущих схем тем, что число логи­ческих входов не связано с числом транзисторов. Логическая функ­ция в этом случае осуществляется диодами й₂ и /)₃, а транзи­стор Т выполняет функцию инверсии. Таким образом, резко сокра­щается число транзисторов. В этой группе схем с логикой на входе и передачей входного тока на выход управляющей ИС не возникает эффекта перехвата тока из-за неравномерного распределения его между входными цепями. Входные диоды обеспечивают развязку

л!.

цепей друг от друга (рис. 8.3, а). Диоды Д и /)₇ выполняют задачу обеспечения сдвига уровня постоянного напряжения между точка­ми а и б. Они называются диодами смещения. Для того чтобы работа диодов не зависела от состояния транзистора (наличия или отсут­ствия в нем тока), существует цепь смещения (— Е и Я\), через ко­торую протекает ток. Этот ток обеспечивает работу диодов Д и Ц в прямом направлении и создает смещение 211.

В положительной логике схема выполняет функцию / = = х, Лх₂Дх₃. Преимуществом схем ДТЛ является надежное запи­рание транзистора при подаче на его эмиттерный переход обратно­го смещения. Кроме того, этим схемам свойствен большой логиче­ский перепад и^х — и⁰ = Е_к.

Транзисторно-транзисторная логика. Отли­чие ТТЛ-схемы от ДТЛ сводится к двум деталям схемы (рис. 8.3, б). Во-первых, вместо диодов смещения имеется один коллекторный переход многоэмиттерного транзистора (МЭТ). В этом случае при нулевом входном напряжении потенциал на базе транзистора будет не отрицательным, а близким к нулю. Транзистор будет заперт, по­мехоустойчивость схемы снизится. Это окупается отсутствием ис­точника смещения (-Е) и экономией площади под диоды и рези­стор Во-вторых, возможно взаимодействие между эмиттерами МЭТ, в отличие от изолированных диодов. В результате горизон­тального транзисторного эффекта в эмиттере, на который подано запирающее напряжение, может протекать обратный паразитный ток. Этот ток обязан своим появлением инжекцией электронов из смежного открытого эмиттера. Чтобы избежать горизонтального транзисторного эффекта, необходимо увеличить расстояние между эмиттерами /₀ так, чтобы превысить диффузионную длину носите­лей в базовом слое. Схема выполняет логическую функцию И — НЕ: Г = х_х ах₂ Дх₃.

Один из недостатков схем ТТЛ — малая нагрузочная способ­ность. Причиной этого является насыщение транзисторов. Для преодолевания эффекта насыщения транзисторов в области базы используется нелинейная обратная связь.

Транзи сторно-транзи сторна я логика с диодами Шоттки. Для введения нелинейной обратной свя­зи между коллектором и базой транзистора включают диод Шотт­ки. Это привело к созданию ТТЛШ (см. рис. 8.3, б). Шунтирование диодом Шоттки перехода коллектор — база позволяет избежать глубокого насыщения, что, в свою очередь, приводит к увеличению падения напряжения на переходе база — эмиттер. Это уменьшает 188

ток потребления в статическом режиме и соответственно потреб­ляемую схемой мощность. Одновременно повышается быстродей­ствие ТТЛШ-микросхем.

Логические схемы на переключателях то­ка. В логических интегральных схемах, относящихся к эмиттер- но-связанной логике, для реализации логических операций и дру­гих преобразований дискретной информации используют транзи­сторные переключатели тока с объединенными эмиттерами.

Переключателем тока называют симметрическую схему, в кото­рой заданный ток /₀ протекает через определенную часть переклю­чателя в зависимости от потенциала Щ на одном из входов. Потен­циал Е на другом входе имеет постоянное значение (рис. 8.4, а). В отличие от уже рассмотренного ключа в переключателе тока управление осуществляется не током, а напряжением.

Если = /Г, го открыты оба транзистора и ток /о делится попо­лам для каждой не гни. Если уменьшить потенциалы Щ, то при не­изменном потенциале ток транзистора Т\ уменьшится. Транзистор Г| закроется, а через транзистор Г₂ будет протекать полный ток. При увеличении потенциала базы £/_Б возрастет потенциал эмитте­ров, что приведет к уменьшению тока через транзистор Т₂. Транзи­стор окажется запертым, и весь ток будет протекать по транзистору Т\. Другими словами, перепад потенциала на базе около среднего значения Е обеспечивает переключение тока из одного транзистора в другой. Особенность переключателя тока состоит в том, что тран­зисторы всегда работают в ненасыщенном режиме — активном ре­жиме при отсутствии насыщения. Это обеспечивает повышенную скорость переключения потому, что не тратится время на рассасы­вание накопленного заряда.

На рис. 8.4, б приведена схема двухвходовой логической ячей­ки, реализованная на переключателях тока. Роль генератора тока выполняет токозадающий резистор Яэ- Эмиттеры всех транзисто­ров соединены в одной точке. В схеме предусмотрены два эмиттер- ных повторителя, реализованных на транзисторах Г|иГ₂и резисто­рах К_э. Ячейка имеет два выхода. Выход 1 инвертирует сигнал и реализует функцию ИЛИ — НЕ = х₁ V х₂). Выход 2 — прямой,

ему соответствует логическая функция ИЛИ (Р₂ = х\ V х₂). ЭСЛ об­ладает высокой нагрузочной способностью, возможностью по­строения многозначных схем, низкой помехоустойчивостью, низ­кой степенью интеграции.

Логические элементы на МДП-транзисторах. К первой группе от­носятся также логические элементы с использованием МДП-тран- зисторов. В настоящее время применяют МДП-транзисторы с БЮг- В основе МОП-транзисторной логики лежат транзисторные клю­чи — инверторы.

Рассмотрим логические элементы одного типа проводимости, например с индуцированным каналом я-типа. В схемах последова­тельно с источником питания включают нагрузочный транзистор Т_н, используемый как квазилинейный резистор. Для выполнения логи­ческих операций применяют транзисторную матрицу Г_ь Т₂, Ъ — Т_п, которая при последовательном соединении и наличии инвертора реализует логическую функцию И — НЕ (рис. 8.5, а).

Если потенциал на входе хотя бы одного из транзисторов Т\—Ъ меньше порогового напряжения {/з_И, то транзистор остается закры­тым. Ток не будут проводить и остальные транзисторы. И только при одновременном отпирании транзисторов происходит переход из закрытого состояния в открытое.

вертор. Его передаточная характеристика идентична рассмотрен­ным конструкциям инверторов.

Реализация логических функций с помощью МДП-транзисто- ров сводится к топологическому управлению межэлектродными проводимостями транзисторов. Ток стока пропорционален меж- электродной проводимости, которая, в свою очередь, определя­ется геометрией прибора. Когда МДП-транзистор проводит ток, его межэлектродное сопротивление вместе с сопротивлением на­грузочного резистора образуют делитель напряжения, который опре­деляет значение выходного напряжения. Когда же транзистор заперт, выходное напряжение незначительно отличается от напряжения пи­тания. Комбинируя последовательное и параллельное соединение МДП-транзисторов, можно задать выполнение любых функций. На рис. 8.5, в представлена схема, реализующая функцию Е = х₁ Лх₂У х ₃.

Часть, относящаяся к функции ИЛИ (х₂ V х₃), представлена двумя параллельными цепями, а часть И (х1 л х₂) — двумя последователь­но включенными транзисторами. Отрицание НЕ обусловлено ин­версией входного напряжения на выходе. Обе параллельные цепи должны иметь одинаковые по значению полные сопротивления, что необходимо для поддержания требуемого соотношения прово­димостей логических транзисторов и нагрузочного резистора.