Исполнительные и логические устройства

Потребляемая элементом мощность в статическом режиме тож­дественно равна мощности, отдаваемой им в нагрузку. А так как нагрузкой элемента являются входные цепи аналогичных элемен­тов, носящие чисто емкостный характер, то мощность, отбираемая от источника питания, расходуется только в динамическом ре­жиме на перезаряд этой емкости, т. е. имеет минимально возможное значение.

В соответствии с рисунком 8, приведена принципиальная электрическая схема и в соответствии с рисунком 9, срез топологии транзисторного ключа, используемого в ИС КМОП.

Она может быть разбита на три части: входной диодно-резисторный ограничитель напряжения; собственно ключ на КМОП-транзнсторах; выходная диодная цепь.

Входное сопротивление транзисторов, используемых в схеме ключа, достигает значений до 1012 Ом. При толщине изоляции между затвором и полупроводником порядка 50 . 70 мкм его собственное пробивное напряжение составляет порядка 150 .200В. Это предполагает введение в элемент специальной схемы защиты от статического электричества, которое может попасть на его вход в процессе хранения или монтажа. Роль этой схемы выполняет входной диодно-резистивный ограничитель на элементах VD1,VD2, VD3 и R1. Данная схема ограничивает напряжение на входе тран­зисторного ключа в диапазоне от —0,7 В до На +0,7 В.

Элементы выходной диодной цени (VD4, VD5, VD6) образованы соответствующими областями самого транзисторного ключа и с точки зрения его работы не являются обязательными. Наличие этих диодов накладывает дополнительные ограничения на использование элемента. Всегда должно выполняться неравенство

│Uвх - Uвых │< Uп

В противном случае диоды входного ограничителя и выходной цепи могут открываться, закорачивая цепь питания элемента. По­следнее может быть причиной его пробоя. Поэтому напряжение питания на КМОП-схсмы должно всегда подаваться до включения и сниматься после отключения входного информационного сиг­нала.

Схемотехнически БЛЭ КМОП-типа повторяют схемы элемен­тов nМОП- и рМОП-типов. Отличие состоит в том, что всегда используются пары транзисторов. При этом если для реализации заданной логической функции транзисторы с каналом л-типа включаются последовательно, то парные им транзисторы р-типа включаются параллельно и наоборот. В качестве примера, в соответствии с рисунком 10, приведены принципиальные электрические схемы, реали­зующие логические операции 2И—НЕ и 2ИЛИ—НЕ. Для упро­щения на приведенных схемах не показаны элементы входных и выходных цепей ключа.

К особенностям схем БЛЭ следует также отнести отсутствие дополнительного нагрузочного транзистора. Его роль выполняет один из транзисторов ключа.

Анализ схем позволяет сделать важный практический вывод о том, что аналогично БЛЭ ТТЛ для БЛЭ КЛЮП параллельное включение нескольких их выходов запрещено.

В соответствии с таблицей 1, приведены наиболее важные параметры БЛЭ кмоп.

Следует также отметить, что КМОП-элементы обладают высо­кой помехоустойчивостью до 40% напряжения питания.

Таблица 1

БЛЭ Интегрально-инжекционной логики.

Для повышения технологичности изготовления желательно при разработке ИС применять схемотехнические решения, использую­щие только однотипные элементы, например транзисторы. Этот путь, как было показано ранее, реализован в ИС МДП, что наряду с другими достоинствами является причиной их широкого распро­странения. Однако, как уже отмечалось, ключ на биполярных транзисторах на сегодняшний день обладает лучшими как ключе­выми, так и частотными свойствами. Это является предпосылкой к постоянному поиску новых схемотехнических решений для реа­лизации биполярных ИС. Такой поиск привел к почти одновремен­ной разработке фирмами Philips и IBM элемента интегральной инжекционной логики (И2Л). Срез топологии и соответствующая ему принципиальная электрическая схема БЛЭ И2Л приведены в соответствии с рисунком 11, а, б.

Особенностью элементов И2Л является:

1. Отсутствие резисторов, что резко упрощает технологию про­изводства МС;

2. Использование токового принципа питания, при котором в ИС задается не напряжение, а ток, который непосредственно ин­жектируется в область полупроводника, образующего структуру одного из транзисторов;

3. Пространственное совмещение в кристалле полупроводника областей, функционально принадлежащих различным транзисто­рам. При этом структура располагается как по горизонтали (планарно), так и по вертикали. Такое решение позволяет отказаться от применения специальных решений для отделения областей, при­надлежащих различным элементам, как это необходимо делать в элементах ТТЛ и ЭСЛ.

4. Малое значение логического перепада, что позволяет максимально увеличить быстродействие элемента.

В приведенной схеме, в соответствии с рисунком 11, б, многоколлекторный тран­зистор VT2 выполняет функцию инвертирования входного сигнала, а транзистор VT1 — генератора (инжектора) базового тока тран­зистора VT2. К особенностям элемента следует отнести и постоян­ство тока инжектора во всех режимах работы элемента. Ток ин­жектора задается резистором R, который, как правило, выпол­няется общим на группу элементов.

В соответствии с рисунком 11,а видно, что транзистор VT1 образован планарной структурой, а многоколлекторный транзистор VT2 — верти­кальной структурой. Причем, так как площадь каждого коллек­тора транзистора VT2 меньше площади его эмиттера, этот транзи­стор, по сути, работает в инверсном режиме, что способствует уменьшению его напряжения насыщения. Все сказанное позволило разместить весь элемент И2Л на площади, занимаемой в схеме ТТЛ одним многоэмиттерным транзистором.

1	2	3	4	5	6