Реферат: Микросхемотехника

Федеральное агентство РФ по высшему образованию

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ)


О.А. ИЗУМРУДОВ


МИКРОСХЕМОТЕХНИКА


Санкт-Петербург - 2005


ББК З 844.15я7

И 39 УДК 621.38

Изумрудов О.А. Микросхемотехника: Конспект лекций /ГЭТУ. -СПб., 1996.-56 с.

Содержит наиболее часто встречающиеся понятия и определения, используемые при изучении элементной базы, параметров и характеристик основных серий отечественных цифровых интегральных схем. Рассматриваются схемотехнические решения базовых функциональных элементов, направления развития элементной базы БИС и СБИС.

Предназначен для студентов, обучающихся в области электронной техники и микроэлектроники.


Рецензенты: кафедра конструирования и производства радиоэ- лектронной аппаратуры СЗПИ; начальник сектора канд.техн.наук А.А.Соловов (Российский институт радионавигации и времени)


Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве конспекта лекций


ISBN 5-7629-0095-9 С.-Пб. ГЭТУ, 1996

\


Введение.


Понятия и определения, приведенные ниже, соответствуют действующим в полупроводниковой электронике стандартам и отражают содержательную часть конспекта лекций по цифровой схемотехнике для студентов специальностей 200100 и 200200.


Микроэлектроника - область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных устройств с высокой степенью миниатюризаации.


Микросхемотехника - раздел микроэлектроники, охватывающий исследования и разработку схемотехнических решений (электрических структурных схем), используемых в интегральных микросхемах и радиоэлектронной аппаратуре на их основе.


^ Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.


Элемент интегральной микросхемы - часть интегральной микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации.


Компонент интегральной микросхемы - часть интегральной микросхемы, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации.


Полупроводниковая интегральная микросхема – интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Плёночная интегральная микросхема – интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде плёнок.

Гибридная интегральная микросхема – интегральная микросхема, содержащая, кроме элементов, компоненты и (или) кристаллы.

Аналоговая интегральная микросхема – интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Цифровая интегральная микросхема – интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.

^ Степень упаковки интегральной микросхемы – отношение числа компонентов и элементов интегральной микросхемы, в том числе содержащихся в составе компонентов, к объёму интегральной микросхемы без учёта объёма выводов.

^ Степень интеграции интегральной микросхемы – показатель степени сложности микросхемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов.

Серия интегральных микросхем - совокупность типов интегральных микросхем, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

Большая интегральная микросхема - интегральная микросхема, содержащая 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 и более элементов, изготовленных по МДП-технологии.


Микропроцессор - программно управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление, им построенное на основе одной или нескольких больших интегральных микросхем.

Микроконтроллер –

^ Логический элемент (ЛЭ) – устройство, реализующее заданную переключательную функцию.

Потенциальные ЛЭ - ЛЭ, в которых значение двоичной переменной задается уровнем постоянного напряжения.

Положительная (прямая) логика - значению лог.I соответствует высокий уровень напряжения.

Отрицательная (инверсная) логика - значению лог.1 соответствует низкий уровень напряжения.

^ Включенное состояние ЛЭ - состояние, при котором на выходе ЛЭ устанавливается лог.О..

Выключенное состояние ЛЭ - состояние, при котором на выходе ЛЭ устанавливается лог.1.

^ Нагрузочная способность ЛЭ - характеристика, определяемая коэффициентом объединения по входу и коэффициентом разветвления по выходу.

Коэффициент объединения по входу (Коб) - число входов ИМС, по которым реализуется логическая функция.

^ Коэффициент разветвления по выходу (Краз) - число единичных нагрузок (ЛЭ), которое можно одновременно подключить к выходу ИМС.

Передаточная (амплитудная) характеристика ЛЭ – зависимость выходного напряжения от медленно меняющегося входного напряжения.

Примечание. Фундаментальным свойством ЛЭ является формирование логических уровней напряжений на выходе ЛЭ с таким же значением, как и на входе ЛЭ (свойство восстановления логических уровней 0 и 1).

Дизъюнктор - ЛЭ, выполняющий операцию логического сложения (ИЛИ).

Конъюнктор – ЛЭ, выполняющий операцию логического умножения (И).

Инвертор – ЛЭ, выполняющий операцию логического отрицания (НЕ).

^ Формы представления логической функции: словесное, табличное, алгебраическое, геометрическое (кубическое).

Таблица переключений (таблица переходов, таблица истинности) - форма представления логической функции в виде таблицы, которая содержит все возможные наборы значений логических переменных и соответствующие этим наборам значения функции.

Минтерм - конъюнкция логических переменных в наборе, которые берутся в прямом виде, если значение логической переменной в наборе равно 1, или в инверсном виде, если значение логической переменной равно 0.

Макстерм - дизъюнкция логических переменных в наборе, которые берутся в прямом виде, если значение логической переменной в наборе равно 0, или в инверсном виде, если значение логической переменной равно 1.


^ Совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ) - дизъюнкция минтермов, соответствующих наборам входных переменных, для которых функция равна 1. Алгебраическое представление логической функции:

q-1

F = ∑ fi*mi,

i=0

где fi, mi - значение функции (0 или 1) и минтерм, соответствующий i-му набору переменных; q = 2K - число минтермов (макстермов) для функции k переменных.

^ Совершенная конъюнктивная нормальная форма (СКНФ) - конъюнкция макстермов, соответствующих входным наборам, для которых функция равна 0. Алгебраическое представление логической функции:

q-1

F = ∏ (fi+Mi),

i=0

где fi, Mi - значение функции и макстерм i-го набора переменных.

^ Карта Карно (карта минтермов) – табличная форма представления логической функции в виде набора q = 2K клеток, каждой их которых соответствует один из q минтермов.

Примечание. Если функция задается в виде СДНФ, то в клетках ооответствующих минтермов ставится 1. Остальные клетки остаются незаполненными. Таким образом, устанавливается однозначное соответствие между табличным и алгебраическим представлениями логической функции.

^ Полностью определённая функция – логическая функция, имеющая определённые значения 0 или 1 для всех входных наборов переменных.

Частично определённая функция – логическая функция, значения которой определены не для всех входных наборов переменных.

^ Рабочие наборы - входные наборы переменных, для которых логическая функция полностью определена.

Безразличные наборы - входные наборы, для которых логическая функция не определена.

^ Элементарная конъюнкция (дизьюнкция) - это логическая функция нескольких переменных и (или) их отрицаний, в которой символ переменной встречается один раз.

Соседние элементарные конъюнкции (дизъюнкции) - две логические функции с одинаковым числом одних и тех же переменных, отличающиеся только знаком отрицания одной переменной.

Импликанта - произведение переменных, значения которых совпадают у всех объединенных ячеек, входящих в какое-либо покрытие карты Карно.

^ Ранг элементарной конъюнкции (дизъюнкции) – число переменных, входящих в элементарную конъюнкцию (дизъюнкцию).

Уровни функциональной сложности ИС: 1 – компонент; 2 – функциональный элемент (ФЭ); 3 – функциональная ячейка (ФЯ); 4 – функциональный узел (ФУ); 5 – функциональный блок (ФБ); 6 – БИС.

Комбинационные цифровые устройства – устройства, логическое состояние которых зависит только от текущих значений входных переменных (логические элементы, преобразователи кодов, дешифраторы, шифраторы, компараторы, сумматоры и т.д.).

Последовательностные цифровые устройства – устройства, обладающие памятью, логическое состояние которых зависит не только от текущих значений входных переменных, но и от логического состояния цепи к моменту изменения входного набора переменных (триггеры, регистры, счётчики, ОЗУ и т.д.).


^ Функциональные компоненты цифровых ИС: источники тока (ИТ, транзисторные ключи (ТК), разветвители тока (РТ), объединители тока (ОТ), фиксаторы потенциала (ФП).

^ 1. СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ ИС.

Основные требования, предъявляемые к интегральным микросхемам - функциональная и техническая полнота, обеспечивающая реализацию изделий микроэлектроники при ограниченной номенклатуре ИС; единство конструктивного оформления, унификация сигналов и напряжений питания; технологичность изготовления.

В настоящее время основу цифровых ИС составляют потенциальные схемы. Они представлены в виде серий микросхем различной степени интеграции и конструктивно-технологического исполнения.

Для схемотехнической реализации ИС потенциального типа используется ряд базовых схемотехнических решений выполнения функции Шеффера и Пирса (И - НЕ, ИЛИ - НЕ), а также трехступенчатых функций И - ИЛИ - НЕ, ИЛИ - И - НЕ.

Потенциальные схемы представлены наиболее массовыми сериями ИС (133, 155, 555, 530, 564, 500, 1500, 100 и др.), выполненными по планарно-эпитаксиальной технологии в едином кристалле кремния.

Микросхемы в сериях ИС отличаются числом входов, выполняемыми логическими функциями, количеством базовых элементов, нагрузочной способностью, временем задержки, потребляемой мощностью и т.д.

К настоящему времени создано много схемотехнических вариантов цифровых потенциальных ИС, поэтому целесообразно дать анализ их структуры с общих позиций.

В цифровой ИС можно выделить части или ступени, выполняющие логические функции, а также отдельные цепи, осуществляющие связи между логическими ступенями при реализации функциональных устройств. При организации связей часто используются отдельные схемы для усиления и формирования сигналов.

Связи в схемах, а также между схемами могут быть пассивными и активными. К пассивным связям относятся:

1. Непосредственная связь (НС) - гальваническое соединение между элементами и схемами. Для быстродействующих схем длина НС оказывает влияние на их быстродействие, так как электрический сигнал проходит за 1 нс 8...10 см (свет за 1 нс проходит 30 см).

2. Резисторная связь (РС) - ограничивает ток, снижает быстродействие, но увеличивает помехоустойчивость схемы.

3. Резисторно-конденсаторная связь (РКС) - увеличивает быстродействие схемы за счет того, что параллельно, резистору включается конденсатор.

4. Диодная связь (ДС) - увеличивает пороговые напряжения и помехоустойчивость схемы путём использования нелинейной вольт-амперной характеристики диодов и одновременно обеспечивает развязку электрических цепей.

Активная связь между схемами реализуется использованием либо эмиттерных повторителей, либо парафазных усилителей на выходах. Эмиттерные повторители обеспечивают усиление сигнала по мощности и повышают быстродействие, а также позволяют объединять выходы нескольких схем, реализуя монтажные соединения ИЛИ / И. Парафазные усилительные каскады на выходах микросхем обеспечивают усиление сигналов обеих полярностей и быстрый перезаряд емкостей нагрузки. Такая выходная связь используется очень широко, так как увеличивает коэффициент разветвления по выходу, быстродействие схем и позволяет снизить требования к параметрам транзисторов.

Базовые схемы транзисторной логики.




Отдельный транзистор, работающий на нагрузку в цепи коллектора, подключённую к источнику питания UП , является инвертором (рис.1.1, а). Если транзистор работает на нагрузку в

цепи эмиттера, подсоединённую к общей шине, то такая цепь повторяет входной сигнал (рис.1.1, б). При нагрузке, подсоединённой одновременно к коллектору и эмиттеру, транзистор инвертирует сигнал на коллекторе и повторяет его на эмиттере. Такое включение транзистора представляет парафазный усилитель и используется в сложных инверторах для управления выходным каскадом (рис.1.1, в). Простые или сложные инверторы составляют основу схемотехники обширного класса схем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТЛ), интегральной инжекционной логики ИИЛ (И2Л), логики на МОП-транзисторах и ряда других транзисторных логик.

В семействе цифровых ИС эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСЛ) в качестве основы используется дифференциальный усилитель или переключатель тока (рис.1.1, г).

Отличительные особенности переключателя тока:

1) использование транзисторов в ненасыщенном режиме, обеспечивающем высокое быстродействие схемы;

2) наличие двух выходов (прямого и инверсного);

3) постоянный ток, отбираемый от источника питания независимо от режима работы схемы;

4) пониженная по сравнению с инверторами амплитуда выходных сигналов.

Сигнал на входе схемы, изменяясь относительно опорного напряжения (Uоп), открывает при значении U1 или закрывает при U0 транзистор Т1. Соответственно, благодаря эмиттерной связи закрывается или открывается транзистор Т2, т.е. в каждом из состояний схемы ток проходит или по левой, или по правой коллекторной цепи переключателя тока.

1.2. Транзисторные схемы с общей нагрузкой.

При гальваническом соединении выходов нескольких логических элементов получаемая функция называется монтажной. На рис.1.2,а показана трёхвходовая схема транзисторной логики на основе трёх инверторов, подсоединённых к общей коллекторной нагрузке. Работа схемы описывается таблицей состояний. Если закодировать верхний уровень 1, а нижний - 0 (положительная логика (ПЛ)), схема реализует функцию И для инверсных сигналов, появляющихся на коллекторах транзисторов, или функцию ИЛИ - НЕ для входных аргументов X1...Х3

.



При обратной кодировке уровней логических переменных, когда верхний уровень кодируется 0, а нижний - 1 (отрицательная логика (ОЛ)), схема реализует функцию И - НЕ для аргументов Х1...Х3, или функцию ИЛИ для инверсных сигналов на выходах транзисторов . Следовательно, каждая транзисторная схема в зависимости от кодировки уровней может выполнять два набора функций. При смене типа логики в логической функции операторы И меняются на операторы ИЛИ и наоборот. Инверсии остаются без изменения. Каждая логическая схема в зависимости от принятой логики работы может иметь два условных графических обозначения (рис.1.2,а). На рис.1.2,б показаны два варианта реализации логических функций для обобщённых транзисторных схем, работающих на общую нагрузку, подсоединенную к источнику питания Uп. Тип транзистора и полярность источника питания не имеют значения.

На рис.1.2,в показаны два варианта реализации логических функций, когда транзисторные параллельные и последовательные сборки работают на нагрузку, подсоединенную к общей точке.

Логические функции схем:



Входная логика может быть выполнена на диодных логических схемах или многоэмиттерных транзисторах (рис.1.3, а). Если построить таблицу уровней для диодной схемы, учитывая, что выходное сопротивление схемы много больше внутреннего сопротивления источников входных сигналов, то, закодировав таблицу уровней единицами и нулями, получим на выходе диодной схемы функция И/ИЛИ. Точно такие же функции в зависимости от положительной или отрицательной логики выполняются на коллекторном выходе многоэмиттерного транзистора, у которого переходы баэа - эмиттер выполняют функцию диодов.

Применение многоэмиттерного транзистора (МЭТ) вместо диодной оборки повышает быстродействие схемы, так как МЭТ работает при высоких уровнях на всех входах в режиме инверсного включения, а при появлении низких уровней на входах в режиме нормального включении обеспечивает быстрый перезаряд емкостей нагрузки.

Использование входной логики на диодной схеме или МЭТ расширяет логические возможности транзисторной логики.

Диодная схема И/ИЛИ на входе, подсоединенная к инвертору через цепочку из двух последовательных диодов (рис.1.3, 6), обеспечивает выполнение функций И - НЕ / ИЛИ - НЕ (для положительной/отрицательной логики) при наличии одного транзистора - инвертора в схеме. Эта схема (рис.1.3, б) является базовым элементом диодно-транзисторной логики (ДТЛ), применяемой в цифровых устройствах, где требуется повышенная помехоустойчивость. Она обеспечивается диодами в цепи входной связи и за счёт выбора ВАХ диодов может быть повышена до нескольких вольт, что и сделано в серии микросхем ДТЛ для специальных применений, например для цифровой аппаратуры, обслуживающей станки с числовым программным управлением и работающей в условиях повышенных помех. Использование в качестве входной логики схемы И/ИЛИ на МЭТ, подсоединённой к сложному инвертору (рис.1.3, в), послужило началом обширного семейства схем ТТЛ.

Схемы ТТЛ удачно сочетают простоту, высокое быстродействие, экономичность с широкими логическими возможностями, которые обеспечиваются подсоединением нескольких инверторов к общей нагрузке. На рис.1.3, в показано, как подсоединением к точкам К, Э схемы 2И - НЕ дополнительной схемы 2И получается схема 2 – 2И - 2ИЛИ - НЕ (для положительной логики). У некоторых микросхем точки К, Э подсоединяются к специальным выводам корпуса, образуя микросхемы, расширяемые по ИЛИ. Так, на рис.1.3,г показано условное графическое обозначение схемы 2 - 2И - 2ИЛИ - НЕ с расширением по ИЛИ (К155ЛР1) и пример её подсоединения. К точкам К, Э может быть подсоединено до семи схем И на четыре или восемь входов.

Для расширения логических возможностей, организации схем контроля и системных магистралей, работы в схемах индикации и при сопряжении с внешними устройствами в ТТЛ используются микросхемы с открытым коллекторным выходом (например, ЛА8 – четыре схемы 2И - НЕ в корпусе, ЛА7 - две схемы 4И - НЕ с повышенной нагрузочной способностью).

На рис.1.4 показаны варианты применения схемы с открытым коллектором, которая кроме работы на общую коллекторную нагрузку для нескольких схем (реализация монтажной схемы ИЛИ/И для получения на выходе функции И-ИЛИ-НЕ/ИЛИ-И-НЕ) может работать с обмоткой специального реле либо на электрическую лампочку накаливания, либо на светодиод, либо на импульсный трансформатор.

Перечисленные выше логические схемы являются наиболее распространенными в сериях ТТЛ. Обычно они имеют коэффициент разветвления по выходу Краэ=10, коэффициент объединения по входу Коб ≤ 8. В серии для использования в выходных каскадах цифровых устройств часто включают схему И – НЕ с повышенным коэффициентом разветвления на выходе (30 и более), предназначенную для работы на низкоомную нагрузку со значительными паразитными ёмкостями.

Особенностью схем ТТЛ является работа большинства транзисторов в режиме насыщения (например, транзисторы Т2, Т4 на рис.1.3, в). Поэтому время задержки распространения при переключении схемы по выходу с нижнего уровня на верхний оказывается большим, чем при переключении с верхнего на нижний, во время переходного процесса в короткий момент времени (10 нс) оказываются открытыми оба транзистора Т3, Т4, что приводит к прохождению через схему импульсного тока.

Работа переключения схем ТТЛ на обычных биполярных транзисторах составляет Ап = Рпот.ср*tзд.р.ср. = 200…300 пДж; tзд.р.ср. = 15 нс, Рпот.ср = 20 мВт. За счёт прохождения импульсного тока в семах ТТл мощность рассеяния возрастает с увеличением частоты.

Импульсы тока генерируют помехи по цепи питания, поэтому для схем ТТЛ необходимы цепи с малыми индуктивностями и развязывающие ёмкости (не менее 0,002 мкФ на одну ИС). Вблизи разъёмов печатных плат устанавливаются ёмкости не менее 0,1 мкФ на одну исходную ИС. По этой же причине в схемах ТТЛ (за исключением схем с открытым коллектором) ограничивается (до 15 нс) минимальное время фронта сигналов на входе. Если работа элементов ТТЛ не согласована по логическим функциям, то у них нельзя объединять выходы из-за возрастания выходного тока.

1.3. Быстродействующие схемы ТТЛ на транзисторах Шотки (ТТЛШ).

Диод Шотки в интегральном исполнении представляет собой контакт металла с высокоомным полупроводником коллекторной области транзистора. Напряжение на диоде Шотки в открытом состоянии 0,4 В, поэтому его включение параллельно переходу база - коллектор исключает насыщение транзистора. В интегральном исполнении транзистор и диод составляют единую структуру, называемую транзистором Шотки (рис. 1.5). Базовый элемент 2И - НЕ на транзисторах Шотки покаэан на рис.1.5.

Диоды Шотки используются на входах схемы для гашения колебаний и защиты от отрицательных помех на входе элемента. Такое включение диодов применяется и в схемах на обычных транзисторах.

Примечание. Наиболее распространенными сериями ТТЛШ с диодами Шотки, позволившими увеличить в несколько раз быстродействие схем или значительно снизить мощность рассеяния, являются серии 530, К531, 533, серия пониженной мощности К555, серии К1531, К1533.

1.4. Схемы с тремя состояниями.

Элементы типа ТТЛ допускают режим работы с тремя состояниями (1, 0 и выключено), когда кроме состояния с верхним или нижним уровнем на выходе в схеме возможно выключение (режим отсечки) обоих выходных транзисторов ТЗ, Т4 (см. рис.1.3, в) или транзисторов Т5, Т6 (рис. 1.5). Для этого достаточно к коллекторной нагрузке подсоединить транзистор Т7 так, как показано на рис.1.5. Положительный потенциал на его базе выключает схему позволяя использовать ее для построения системных шин, объединяющих выходы ряда устройств. В каждый момент времени на шину идут сигналы с одного из устройств, остальные устройства в это время выключены.

Микромощные серии ТТЛШ нашли применение в ряде отечественных микропроцессорных БИС, например сериях К589, КР1802, КМ1804 и др.


^ 2. СХЕМОТЕХНИКА ИС НА ПОЛЕВЬК ТРАНЗИСТОРАХ.

Наряду с рассмотренными схемами на биполярных транзисторах в микроэлектронике активно используются схемы на полевых (униполярных, с одним типом носителей заряда) транзисторах. В настоящее время полевые транзисторы являются лучшими активными элементами для БИС.

МДП-транзисторам присущи следующие достоинства:

1) высокое входное сопротивление (до 1014 Ом);

2) малые размеры и высокая технологичность (площадь МДП-транзистора, как правило, меньше площади биполярного транзистора, при изготовлении МДП-транзистора требуется меньше технологических операций);

3) МДП-транзисторы возможно использовать в качестве нагрузки, что обеспечивает высокую однородность ИС (рис.2.1, а);

4) высокая помехоустойчивость (2...6 В по сравнению с 0,6 В для биполярных транзисторов);

5) малая мощность рассеяния в статике, особенно при использовании в схеме транзисторов с взаимно дополнительным типом проводимости;

6) один источник питания, обеспечивающий простоту схем;

7) способность пропускать ток в обоих направлениях;

8) устойчивость к нейтронной составляющей радиационного воздействия.

Недостатком МДП-транзисторов является их относительно невысокое быстродействие и малая крутизна, что снижает нагрузочную способность элементов по току и ухудшает показатёль, определяемый отношением скорости переключения к мощности рассеяния.

Наибольшее распространение получили полевые транзисторы со структурой металл - оксид - полупроводник. Поскольку оксид играет роль диэлектрика, их также называют МДП - транзисторами. Наиболее часто используются транзисторы с индуцированным каналом. Отличительная особенность МДП-транзисторов – возможность использования их в качестве резисторов нагрузки, когда транзистор открывается напряжением смещения на затворе. Это обусловлено линейной зависимостью тока стока от напряжения на стоке при определённых напряжениях на затворе. Включение МДП-транзистора для использования в режиме резистора показано на рис.2.1, б, где изображена логическая схема, из анализа работы которой очевидно, что последовательное соединение МДП-транзисторов образует конъюнктор.


Логика работы этой схемы не зависит от типа МДП-транзисторов (от этого будет зависеть только полярность питания и сигналов в схеме), поэтому на схеме тип транзистора не указывается. Высокая однородность логических схем, содержащих одни МДП-транзисторы, особенно удобна для построения БИС.


2.1. Схемотехника ИС на МДП-транзисторах с одним типом проводимости.

Наибольшее распространение получили схемы на МДП-транзисторах со связанными истоками. На рис.2.1,в показана схема ИЛИ – НЕ (И - НЕ). Транзисторы Т1 – Т3 являются инверторами входных сигналов X1 – Х3, их стоки объединены и подсоединены к транзистору Т4, выполняющему роль нагрузки (полная аналогия со схемой, изображённой на рис.1.2, а). Выходной сигнал с транзистора Т4 поступает непосредственно на транзистор Т7, а также предварительно инвертируется на транзисторе Т5 и с его нагрузки, выполненной на транзисторе Т6, поступает на выходной транзистор Т8. Таким образом, транзисторы Т5 – Т8 представляют собой выходной парафазный усилитель, не выполняющий логических преобразований и необходимый только для увеличения коэффициента разветвления элемента во выходу и быстрого перезаряда емкостей в цепи нагрузки.

Технологичность и невысокая стоимость схем на МДП-транзисторах делают их особенно перспективными в случае изготовления устройств в виде БИС.

Схемы на транзисторах р-типа очень дёшевы и более технологичны, чем схемы на транзисторах n-типа, но уступают последним по быстродействию в 8...10 раз.

Схемы на МДП-транзисторах n-типа по быстродействии не уступают ТТЛ-схемам: они обеспечивают меньшую мощность рассеяния и более высокую плотность размещения компонентов, чем схемы ТТЛ. Использование метода ионной имплантации и применение в цепях нагрузок транзисторов с обедняемыми каналами, а не обогащаемыми, позволило снизить напряжение питания до 5 В, что обеспечило совместимость этих схем по электрическим уровням с микросхемами ТТЛ.

Примечание. Отечественные серии микропроцессоров К1801, КР1810, К580, К581 используют схемотехнику и технологию n-МДП.

2.2. Схемотехника ИС на комплементарных МДП-транзисторах(КМДП).

Использование взаимодополняюцих (комплементарных) КМДП - транзисторов в схемотехнике ИС открывает новые возможности улучшения их параметров. Если объединить затворы и стоки двух транзисторов n- и р-типа, как показано на рис.2.2, а, то получится инверторный каскад, который в статическом состоянии не рассеивает мощность. Это объясняется тем, что постоянный ток через него проходить не может (исключение составляют токи утечки через закрытый транзистор). Действительно, при любом значении логического уровня потенциала на входе схемы один из транзисторов последовательной цепи остается закрытым.

Динамическая мощность рассеяния этих схем на порядок ниже схем на транзисторах с одним типом проводимости, и определяется током, проходящим через схему во время её переключения (рис.2.2, б). Она зависит от емкостной нагрузки Сн, частоты работы схемы f и напряжения питания Uп:


Рдин = Uп2*Сн*f


Свойства КМДП-схем становятся понятны при анализе передаточной характеристики инвертора (рис.2.2, б):


1. Логические уровни у схемы равны соответственно: нижний - нулю, верхний - Uп. Полезный сигнал на выходе равен напряжению питания. (Никакая другая схемотехника не обеспечивает этих возможностей).

8. Помехозащищённость по 0 (для положительной логики) определяется напряжением отпирания Uпор нижнего транзистора, помехоустойчивость по 1 определяется напряжением отпирания Uпор верхнего транзистора.

3. Работоспособность, схемы не зависит от напряжения питания, начиная со значений Uп ≥ Uоn + Uор, т. е. схема может работать при весьма больших разбросах по питанию, если начальный его уровень выбран с соответствующим запасом.

Базовым принципом схемотехники логических элементов на КМДП-транзисторах является организация схем, обеспечивающая отсутствие постоянного тока через схему при любой комбинации входных сигналов. Это достигается последовательным включением дополняющих транзисторов так, как показано на рис.2.2, в, г. Из рисунка видно, что переход от схемы ИЛИ – НЕ к схеме И – НЕ может быть произведён как сменой логики, так и соответствующей коммутацией каскадов. Любая n-входовая схема схема И – НЕ/ИЛИ – НЕ требует 2n-транзисторов.

Типовая задержка в современных КМДП-схемах tзд.р.ср составляет 50 нс. Мощность рассеяния пропорциональна частоте работы и увеличивается в среднем на 1 мВт при возрастании частоты на 1 МГц. Уменьшение мощности рассеяния в динамическом режиме достигается снижением ёмкости нагрузки.

Минимальное напряжение питания схемы на КМДП-транзисторах определяется пороговым напряжением p-канального транзистора, которое обычно превышает пороговое напряжение n-канального транзистора.

Недостаток КМДП ИС связан с относительной сложностью технологии их изготовления и с меньшей степенью интеграции, чем у схем на однотипных МДП-транзисторах.

Из отечественных серий КМДП ИС наиболее развиты серии К561, К564, КР1561, 1564. Микросхемы указанных серий сохраняют работоспособность при напряжениях питания от 3 до 15 В. На основе схемотехники КМДП изготавливается несколько семейств микропроцессоров, например К587, К588 и др.

^ 3. СХЕМОТЕХНИКА ИС ИНЖЕКЦИОННОЙ ЛОГИКИ.

Схемы интегральной инжекционной логики (ИИЛ), или И2Л – схемы являются развитием схем с непосредственными связями.

Отличительной особенностью И2Л–схем является отсутствие токозадающих резисторов в цепях управления транзисторами.

Работоспособность такой схемы зависит от выбора нагрузки, задающей ток в базовой цепи выходного транзистора.

Основу схемотехники И2Л составляет инвертор (рисунок а), работающий в насыщенном режиме и выполненный на многоколлекторном транзисторе (МКТ) Т2, обеспечивающем развязку выходов для исключения их взаимного влияния. Нагрузка для предыдущего каскада, принадлежащая к его базовой цепи, выполнена на p-n-p – транзисторе Т1, который играет тока (рисунок, б) и обеспечивает питание базовой цепи Т2. По этой причине схемы И2Л называют ещё схемами с инжекционным питанием.

Схема базового элемента И2Л очень технологична и занимает минимальную площадь на кристалле. Область n принадлежит как базе p-n-p-транзистора, так и эмиттеру ключевого транзистора-инвертора (его база p является коллектором инжектора).

Напряжение питания И2Л-схем составляет 1,5 В, амплитуда логического сигнала 0,7 В. Благодаря низким значениям рабочих токов, не превышающих нескольких десятков микроампер, достигается уменьшение степени насыщения ключевого транзистора и обеспечивается высокое быстродействие схемы.

Мощность рассеяния схемы может быть снижена до 20 мкВт. При задержке инвертора tзд.р = 50 нс это обеспечивает И2Л-схеме работу переключения Ап = 0,02*50 = 1 пДж (в 100 раз меньше, чем у ТТЛ-схем). Плотность элементов на кристалле И2Л-схем в 50 раз выше, чем в ТТЛ-схемах. Все это делает схемотехнику И2Л весьма перспективной для БИС.

При использовании диодов Шотки в качестве диодной логики и развязки цепей на входе, а транзисторов Шотки - в качестве инверторов (рисунок, в) показатели И2Л-схем могут превзойти комплексные показатели любых схем на основе кремния. Так, теоретический предел И2Л-схем по добротности равен 0,001 пДж. Однако по быстродействию эти схемы уступают ТТЛШ- и ЭСЛ-схемам. И2Л-схемы весьма перспективны для построения СБИС.

Примечание. Схемотехника И2Л не используется для производства серии ИС, так как она более эффективна в ИС высоких степеней интеграции. Отечественные семейства микропроцессоров К583, К584 и др. выполнены на базе схемотехники И2Л.

^ 4. СХЕМОТЕХНИКА ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ СО СВЯЗАННЫМИ ЭМИТТЕРАМИ.

Серии цифровых интегральных схем эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСТЛ, или просто ЭСЛ) представляют в настоящее время самые быстродействующие серии схем потенциального типа на кремниевых биполярных транзисторах.

ИС ЭСЛ составляют серьёзную конкуренцию семейству ТТЛ-схем из-за ряда положительных качеств, обеспечивающих их оптимальное применение в цифровой аппаратуре широкого класса.

Достоинства ЭСЛ-схем обусловлены их схемотехникой, которая использует в качестве основного элемента транзисторной логики дифференциальный усилитель (переключатель тока) с транзисторами, работающими в ненасыщенном режиме (см. рис.1.1, г).

Базовый логический элемент ИЛИ – НЕ, ИЛИ (для положительной логики) наиболее распространённых отечественных серий ЭСЛ-схем 100, К500, 700, К1500 показан на рис.4.1. В нём можно выделить следующие цепи: переключатель тока Пт, встроенный источник опорного напряжения ИОН и выходные усилители мощности в виде эмиттерных повторителей ЭП.

Переключатель тока ПТ предназначен для выполнения логических функций и образует первую логическую ступень с прямыми и инверсными выходами. Источник опорного напряжения ИОН содержит температурно-компенсированный делитель (R3, D1, D2, R9) и эмиттерный повторитель (T5, R8) и задаёт уровень напряжения, равный среднему напряжению между уровнями 0 и 1 на входе схемы.

Эмиттерные повторители ЭП (Т6, Т7) предназначены для усиления сигнала по мощности, работы на согласованные линии связи, смещения выходных сигналов по напряжению с целью обеспечения совместной работы с другими аналогичными элементами.

Кроме того, ЭП является второй ступенью логики, так как позволяют реализовывать монтажные функции ИЛИ, получаемые путём объединения нескольких элементов и подсоединением их к общей нагрузке.

Расширение логических возможностей ЭСЛ-схем производится объединением выходов нескольких ПТ на одном коллекторном резисторе с образованием монтажной функции И.

Другим эффективным приёмом расширения логических возможностями ЭСЛ является использование двух- и трёхуровневых ПТ, когда в качестве эмиттерного тока ПТ верхнего уровня служит коллекторный ток ПТ нижнего уровня переключения. Оба переключателя тока (верхний и нижний) управляются различными логическими сигналами (рис.4.2), т.е. в одноступенчатой схеме ток может разветвляться в две цепи, в двухступенчатой схеме он может коммутироваться на втором уровне в четыре цепи, в трёхступенчатой схеме на последнем уровне коммутация тока возможна в восемь цепей.

Таким образом, использование дифференциального усилителя в качестве основы схемотехники семейства ЭСЛ-схем и эмиттерных повторителей обеспечивае