|
| |
|
Главная Журналы Рассмотрим несколько примеров конструктивно-технологической реализации логических элементов на биполярных и МДП-транзисторах. Эмнттерно-связанная логика (9СЛ). Эмиттерно-связанные логические элементы или токовые ключи характеризуются наибольшим быстродействием. Среднее время задержки на один ключ составляет 0,5... 2 не в зависимости от уровня потребляемой мощности. Высокое быстродействие достигается работой ключевых транзисторов в ненасыщенном режиме, использованием достаточно больших выходных токов (10...20 мА) эмиттерных повторителей н низкого логического перепада (0,8 В). В схеме элемента ЭЛС-типа с тремя входами (рис. 5.2.1) логический элемент выполняет функцию ИЛИ-НЕ по выходу / -И функцию ИЛИ по выходу 2. Рассмотрим топологию ЭСЛ-элемента, изготовленного методом эпитаксиально-планарной технологии (рис. 5.2,2), Ключевые транзисторы УГд, УГв, ¥Тс имеют общий коллектор. Размеры области коллектора опорного транзи-  Рис. 5,2,1, Схема трехвходового элемента ЭСЛ-типа /! области чоллетора$  Рис. 5.2.2, Топология элемента ЭСЛ-типа 220 стора V7"on такие же, как у общего коллектора ключевых транзисторов. Это необходимо для уравнения быстродействия обоих плеч ЭСЛ-элемента, Транзисторы Vfani, УТъп% и диффузионные резисторы J?o, -Rbi, Rm, R\, Ra2 расположены в одном n-кармане, на который подан запирающий положительный потенциал Ub п для ослабления активных и пассивных паразитных связей (см. § 5.4). Эта изолированная п-область одиовремеино выполняет роль коллекторов транзисторов VTnu УТпг эмиттерных повторителей. Для уменьшения сопротивления тела коллекторов и обеспечения качественного контакта к коллекторным областям применяются кольцевые п+-области. Контакты Pi, Рг предназначены для подключения расширителей по входу. Общий выход «земля» соединяется с р-подложкон. Траизисторио-траизисториые логические элементы (ТТЛ). ТТЛ-элементы широко применяются в ИС среднего быстродействия. Они характеризуются простотой конструкции, высокой помехоустойчивостью и нагрузочной способностью при применении выходных усилителей мощности. В простой схеме двух-входового ТТЛ-элемента, применяемого в БИС (рис, 5,2,3), двухэмиттерный транзистор VT1 выполняет логическую операцию И, а транзистор VT2 входит а состав инвертора. В общем случае на входе применяют многоэмиттерные транзисторы. /?5 k п-р-пХ дыход VTZ I t i I ♦-о мм II Рис. 5.2.3. Схема двухвходово- Рис. 5.2.4. Топология {а) и упрощенная го ТТЛ-элемента схема {б) двухэмиттерного транзистора Рассмотрим особенности работы ТТЛ-элемента. Если на эмиттеры Э1 и Э2 одновременно подаются входные уровни логической единицы, то транзистор \Т1 переходит в инверсный режим работы. Достаточно большой ток базы 1 через коллекторный переход УТ1 поступает в базу транзистора УТ2 и открывает его. Для повышения нагрузочной способности ТТЛ-элементов желательно уменьшать их входные токи при логической единице на входе. Это условие обеспечивается конструкцией много-эмиттерного транзистора. В одной из конструкций двухэмиттерного транзистора (рис. 5.2.4) диод VB образован расширенной областью вывода базы 5, а резистор гв - узкой перемычкой р-области. За счет Гб уменьшается смещение инверсно включенного и-р-п-транзистора и, следовательно, ток /вх через транзистор. Большая часть тока /g втекает в базу транзистора VT2 через диод VD. Если хотя бы на один из эмиттеров Э1 или Э2 подано входное напряжение логического нуля, напряжение на базе многоэмиттерного транзистора снижается до напряжения смещения открытого р-п+-перехода (~0,8 В) и транзистор VT2 практически запирается, так как это напряжение распределяется между двумя последовательно включенными р-и-переходами (диод VD, эмиттерный переход транзистора VT2). Логика с интегральной нагрузкой. Основной структурной единицей логических элементов на МДП-транзисторах является инвертор, состоящий из ключевого и нагрузочного МДП-транзисторов. Использование МДП-транзистора в качестве нагрузки дает большую экономию площади кристалла, потому что эффективное сопротивление квадрата индуцированного или встроенного каналов составляет около 20 кОм/П (диффузионные резисторы имеют рд»100... ...200 Ом/О). Применяется три разновидности инверторов: инвертор с нелинейной (ненасыщенной) нагрузкой (рис. 5.2.5,а), инвертор с квазилинейной нагрузкой (рис. 5.2.5,6), инвертор с токостабилизирующей нагрузкой (рис. 5.2.5,0}.  7ws о ВхаВ о- ВькоЭ -о Вход It о-Ib- ВыхоЗ -о Рис. 5.2.5. Схемы инверторов на МДП-транзисторах с нелинейной (о), квазилинейной (б) и токостабилизирующей (в) нагрузками Затвор нагрузочного транзистора VT2 инвертора с нелинейной нагрузкой соединен с его стоком. Потенциалы затвора и стока этого транзистора равны напряжению источника питания ii/нп. Нагрузочный транзистор VT2 открывается, если напряжение на его истоке, равное выходному напряжению инвертора iBHxi, будет на D 3 nopj меньше Свп, где зпорг-пороговое напряжение нагрузочного транзистора. Нагрузочная характеристика инвертора с нелинейной нагрузкой изображена на рис. 5.2.6,о. На участке f/вп... (</вп-{/зпор2 ) роль нагрузки выполняет большое сопротивление утечки нагрузочного транзистора.  .const S 7Z IfitTtuB  и 8 й:ггЛк,В Рис. 5.2.6. Нагрузочные характеристики инверторов с нелинейной (а), квазилн-нейнон (б) н токостабилизирующей (в) нагрузками На затвор нагрузочного транзистора VT2 инвертора с квазилинейной нагрузкой (рис. 5.2.5,6) подается напряжение (,„3 от отдельного источника. При этом выполняется условие смз°°" зпора Следовательно, нагрузочный МДП-транзистор находится в открытом состоянии при любом входном напряжении инвертора. В инверторе с токостабилизирующей нагрузкой (рис. 5.2,6,в) используется нагрузочный МДП-транзистор со встроенным каналом. Затвор этого транзистора соединен с его истоком. Ключевой и нагрузочный МОП-транзисторы характеризуются коэффициентами формы каналов Кф кл = Лф1 = кав1/ВкаЕ1 и /<фв = /(ф2 = кав2/Вкая1, ГДе Lkabu Вкан1-длина и ширина канала ключевого МДП-транзистора, а Lk&hs, Вкааг - длина и ширина канала нагрузочного МДП-траизистора. Для повышения помехоустойчивости и быстродействия логических элементов используются большие отношения Сфа/(фкл = Ло=(/.кая2Вкан1/кав1Вкан2)>10. Рассмотрим особенности передаточных характеристик инверторов с различными нагрузками (рис. 5.2.7). Инвертор с нелинейной нагрузкой характеризуется наименьшим логическим перепадом ДС/д. Наиболее крутую передаточную характеристику имеет инвертор с токостабилизирующей нагрузкой, что обеспечивает его наибольшую помехоустойчивость.
 7Z l/m,B Рис. 5.2.7. Передаточные характеристики инверторов с нелинейной (а), квазилинейной (б) и токостабилизирующей {в) нагрузками Для обеспечения нормальной работы инверторов в цепочной схеме прежде всего необходимо, чтобы выходное напряжение логического нуля 1/вых(-1) предыдущего инвертора было ниже порогового напряжения ключевого транзистора t/gQpj последующего инвертора. Это условие выполняется прн правильном выборе соотношений между напряжениями источника питания t/н п и пороговыми напряжениями транзисторов t/g j, , У 3 > а также при достаточно высоких значениях отношения коэффициентов формы ключевого и нагрузочного транзисторов. Необходимая величина коэффициента /(о=кав2Вкав1/(кав1Виав2) определяется выбором соответствующих величин /,кав2 и Вкан1 при минимально возможных величинах Lkbh 1 mm и Виан 2 mm, которые ограничиваются в основном возможностями технологии. Кроме того, величина /.кан i mm может быть ограничена также заданным уровнем напряжения источника питания (должен отсутствовать пробой не только перехода сток - подложка, но и области объемного заряда на промежутке сток - исток). Ширину канала ключевого транзистора Вкан! можно выбирать, исходя из заданной его крутизны (см. рис. 4.7.2), а длина канала 1кан2 нагрузочного транзистора в этом случае находится из условия обеспечения необходимого коэффициента Кй, определяемого заданным уровнем помехоустойчивости. Для определения Внаш и 1кав2 при заданном значении Яо = /-кав2Вкан1/(/.кан1 т1пВкан2 mm) можст такжс использоваться условие обеспечения минимальной площади 5ин=/.кан1 шшВкав1-Ь/.кан2Вкав2 min, занимаемой МДП-транзисторами инвертора, /-кан2 = /-кан 1 шЛшУ Ко, Вкав1 = Вкав 2 min Яо. (5.2.1) Сравнение характеристик инверторов с индуцированными каналами показывает, что инвертор с квазилинейной нагрузкой обладает лучшей помехоустойчивостью в большим быстродействием. Однако для подачи напряжения смещения на затворы МДП-транзисторов в инверторах с квазилинейными нагрузками требуется дополнительная шнна, что существенно усложняет топологию кристалла микросхемы. Поэтому в практических разработках широко применяется более простой инвертор с нелинейной нагрузкой. Пример топологии инвертора с нелинейной нагрузкой показан на рис. 5.2.8. Для увеличения плотности компоновки применяется совмещение диффузионных областей стока управляющего (ключевого) и истока нагрузочного МДП-транзисторов. На основе инверторов путем параллельного или последовательного соедн-иеиия ключевых транзисторов строятся гп-входовые логические элементы ИЛИ--НЕ и И-НЕ. В /я-входовых логических элементах И-НЕ т-ключевых транзисторов соединяют последовательно. Для обеспечения достаточно малого I Границы тонмга отана  Границы частей . /famavmi н диффузионные обдастяп Рис. 5.2.8. Топология (а) и поперечное сеченне (б) инвертора с нелинейной нагрузкой напряжения логического нуля L°bhx= Увых! -Ь ... -Ь Увых* -f ... Ч- иъ-а-а т, где Wbux i - напряжение логического нуля I-ro ключевого МДП-транзистора, необходимо применять ключевые МДП-л-ранзисторы, у которых ширина канала в т раз больше ширины канала ключевого транзистора простейшего инвертора. Это ограничивает применение логических элементов И-НЕ с большим количеством входов. Логические элементы иа взаимодополняющих МДП-транзисторах. Интегральные схемы, построенные на взаимодополняющих МДП-транзисторах (рис. 5.2.9), характеризуются наибольшим быстродействием, помехоустойчивостью и самым малым потреблением мощности от источников питания по сравиению с другими ИС, построенными на основе статических логических элементов с МДП-транзи-сторами. Инвертор состоит из управляющего VT2 и нагрузочного VT1 МДП-транзисторов с индуцированными каналами р- и и-типов. Затворы транзисторов объединены. На них подается управляющий входной сигнал СУвх, уровень которого изменяется от иОдхО до Uвж~Uип. Управляющий и нагрузочный транзисторы изолированы друг от друга. В рассматриваемой конструкции и-каиальиый МДП-транзистор находится в изолированной р-области, которая выполняет роль подложки этого транзистора. Истоки МДП-транзисторов соединены с собствен- НЫми подложками. Входное напряжение нагрузочного р-канального МДП-транзистора, отсчитываемое от его истока, равно С/вхрУип-UbxUhb-Увхп, где ивкп = ивх-входное напряжение управляющего «-канального МДП-транзистора. МДП-транзнсторы имеют пороговые напряжения U и р. Для обеспечения нормальной работы инвертора должны выполняться условия L"bx„ = t/„ n>lt/ 3 пор „ , t/вхр = п> пор р . Инвертор на взаимодополняющих МДП-транзисторах можно представить в виде двух последовательно соединенных ключей Кл! и Кл2 (рис. 5.2.9,6), управ- ой п VT1 н -овыход , Ил Г  Рис. 5.2.9. Схема (а), электрическая модель (б) и структура (в) КМДП-ин- вертора: 1 - подложка /г-типа; 2, 3 - исток и сток р-канального МДП-транзистора; 4 - каналоогра-иичивающая л4-область; 5, 9 - охранная (каналоограничивающая) р-Ь-областъ; 6,8 - сток и исток л-канального МДП-транзистора; 7 - карман р-типа; 10 - область соединения истока п-канальиого МДП-транзистора с карманом-подложкой; , 12 - затворы п-канального и р-канального МДП-транзистора; /3 -область соединения истока р-канального МДП-транзистора с подложкой; 14 - коммутационный проводник а иа- Зпор р- ляемых входным напряжением. Состояния ключей (замкнут, разомкнут) отражают соответствующие состояния МДП-транзисторов (открыт, закрыт). Управляющий п-канальный МДП-транзистор открыт при вх = Увхп>з „р грузочный р-канальный МДП-транзистор при Ub%p = Ub и-UBxn>V, На рис 5.2.10 представлены передаточные характеристики рассматриваемого инвертора прн различных соотношениях между пороговыми напряжениями МДП-транзисторов и напряжением источника питания: здорп ""Зпор р <и,в (рис. 5.2.10,а); з пор „ + з пор р ° (Рс- 5.2.10,6). В первом случае при LgnoPn "звор р транзистора открыты и через них протекает сквозной ток, что повышает мощность, потребляемую от источника питания. При У3 „ор п +зпорр >йп (второй случай) одновременно открытое состояние обоих транзисторов отсутствует при любом входном напряжении OUbxUz п- В области входных напряжений t„n-Lignopp <ивх<У зпорп (область БС на рис. 5.2.10,6) выходное напряжение определяется сопротивлением утечки одновременно закрытых управляющего и нагрузочного МОП-транзисторов. На рис. 5.2,10,6 штриховой линией ABCD изображена передаточная характеристика КМПД-инвертора с конечными сопротивлениями утечки транзисторов, В процессе переключения инвертора ток - источника питаниярасходуется только иа заряд емкости нагрузки, В 5;рстояниях логического нуля и логичес- 8-113 225 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 [ 36 ] 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||