Элементы эмиттерно-связанной логики ЭСЛ

Интегральные цифровые схемы ЭСЛ являются типичными представителями логических схем на основе ненасыщенных ключей. В этих логических схемах осуществляют ограничение падения напряжения на нагрузке в цепи коллекторов, ограничивая эмиттерный ток биполярных транзисторов, тем самым подавляют эффект насыщения, характеризуемый прямым смещением перехода коллектор-база, накоплением избыточного заряда и большой инерционностью при выключении. Исключение режима насыщения и связанной с ним задержки рассасывания обеспечивает более высокое быстродействие элементов ЭСЛ по сравнению с элементами ТТЛ.

Ядром ЭСЛ-схем является токовый переключатель (рисунок 10.24). Схема переключателя тока состоит из двух одинаковых ветвей, содержащих входные и опорный транзисторы, в цепях коллекторов которых включены сопротивления R_K. На базу опорного транзистора подано постоянное отпирающее опорное напряжение – U_опор. Работа ЭСЛ-вентилей осуществляется таким образом, чтобы сумма всех токов эмиттеров оставалась постоянной (I ₀). Такой режим ограничивает величину сквозных токов и уменьшает уровень помех, наводимых в шине питания.

а) б)

Рисунок 10.24 - Базовая схема ЭСЛ- вентиля (а) и условное обозначение

элемента 3 ИЛИ-НЕ / ИЛИ (б)

Реализация вентилем его логических функций осуществляется путем коммутации пути прохождения тока на левый или правый транзистор, что зависит от логических состояний на его входах. Поэтому ЭСЛ-вентили называют также логическими схемами на переключателях тока. Если на схеме (рисунок 10.24, а) по меньшей мере один из входов (А, В, С) имеет высокий потенциал, то ток будет проходить через левый транзистор, электрический потенциал выхода Е понизится, а потенциал выхода D, наоборот, повысится. Другими словами, выход Е представляет собой выход вентиля ИЛИ-НЕ, а выход D – вентиля ИЛИ.

Рисунок 10.25 - Распределение токов в ЭСЛ-схеме

Анализ распределения токов в схеме переключателя тока (рисунок 10.25, а) приводит к следующим соотношениям:

;

; (10.5)

.

Из уравнений (10.5) могут быть выражены токи эмиттеров переключателя через общий ток I ₀.

.

Значения токов эмиттеров входного и опорного транзисторов определяются разностью напряжений . При низком уровне входного напряжения ток I_{E 1} стремится к нулю, а I_{E 2} к I ₀ . При высоком уровне входного напряжения ток I_{E 1} стремится к I ₀ , а I_{E 2} – к нулю. При ток (рисунок 10.25, б).

Причиной уменьшения тока I_{E 2} при открывании входного транзистора является отрицательная обратная связь по цепи эмиттера. Увеличение входного напряжения выше U_опор приводит к увеличению потенциала U ₀ и уменьшению прямого смещения эмиттера опорного транзистора и, следовательно, токов эмиттера и коллектора. Схемная инерционность процесса переключения (при быстродействующих транзисторах) будет ориентировочно определяться амплитудами логического перепада, входными и нагрузочными емкостями и величиной тока I ₀.

с. (10.7)

Для повышения быстродействия необходимо уменьшать логический размах (U_Л) и увеличивать ток I ₀. Несмотря на большие скорости тока в цепях транзисторов ток в шине питания практически остается постоянным, что способствует помехоустойчивости ЭСЛ-схем в малосигнальном режиме (МЭСЛ).

Изменение токов эмиттеров (коллекторов) входного и опорного транзисторов на два порядка (10.6) происходит в достаточно узком интервале Δ U входного напряжения (при В).

Выходные напряжения (передаточная характеристика переключателя тока) относительно земли (рисунок 10.26) определяются падением напряжения на коллекторных сопротивлениях.

, , (10.8)

где α – коэффициент передачи тока эмиттера.

Уравнения (10.8) графически представлены на рисунке 10.26. Правая область насыщения – это область, в которой, после того как коллекторное напряжение превысит значение , транзистор Т1 работает в режиме глубокого насыщения. Обычно ЭСЛ-вентили рассчитываются так, чтобы работа в этой области была исключена. Из рисунка 10.26, в частности, следует, что вентиль имеет выходные логические уровни и .

Рисунок 10.26 - Передаточные характеристики транзисторов МЭСЛ ИС

по постоянному току (при отсутствии нагрузки)

Пороговое напряжение передаточной характеристики соответствует опорному напряжению U_опор. При этом на выходе U_{C 1} устанавливается потенциал (рисунок 10.26). Для симметричной передаточной характеристики, при которой допустимые напряжения помехи на включение и выключение одинаковые, . Следовательно, . Поэтому при напряжение на базе входного транзистора равно напряжению на коллекторе, т. е. соответствует границе насыщения входного транзистора. При более высоком входном напряжении коллектор смещается в прямом направлении (квази-активная область). Поэтому для полного исключения режима насыщения необходимо ограничить входное напряжение с помощью схем смещения уровня – эмиттерных повторителей.

Однако условие (обратное смещение коллектора n-p-n транзистора) не является строго обязательным. Заметное накопление заряда (увеличение инерционности) происходит при превышении прямого смещения перехода база-коллектор напряжения включения U_вкл ≈ 0, 6 В. При подаче на вход высокого уровня (U ¹ ≈ 0) коллектор смещается на величину RI ₀. Для того чтобы входной транзистор не входил в режим глубокого насыщения необходимо выполнение условия

. (10.9)

Если элементы схемы удовлетворяют условию (10.9), то логический элемент будет работать без заметной потери быстродействия, как транзисторный ключ со встроенным барьером Шоттки.

Указанный режим используется в простейших элементах ЭСЛ, называемых элементами малосигнальной эмиттерно-связанной логики (МЭСЛ) [1]. Эти элементы применяют во внутренних цепях СИС или БИС. Схема элемента МЭСЛ приведена на рисунке 10.27. В отличие от рассмотренного выше переключателя тока она содержит два входных транзистора VT_вх1 и VT_вх2; роль генератора тока играет токозадающий резистор R_Э. Число входных транзисторов может быть и больше двух.

Рисунок 10.27 - Схема базового элемента МЭСЛ Рисунок 10.28 - Передаточная

характеристика элемента МЭСЛ

Эмиттеры всех транзисторов соединены в одной точке, что отражено в названии: эмиттерно-связанная логика. Схема имеет два выхода. На инверсном выходе 1 реализуется логическая функция ИЛИ-НЕ: , на прямом выходе 2 – функция ИЛИ: .

Передаточные характеристики элемента МЭСЛ для инверсного 1 и прямого 2 выходов показаны на рисунке 10.28. Поскольку напряжение источника питания U_и.п и опорное напряжение U_опор отрицательной полярности, то входные и выходные напряжения также отрицательны. При напряжениях входные транзисторы закрыты, а опорный – открыт. Напряжение на инверсном выходе равно U ¹. Значение U ¹ определяется падением напряжения на резисторе в коллекторной цепи входного транзистора при протекании выходного тока (тока базы транзистора нагрузочного элемента):

, (10.10)

где B – коэффициент передачи входного транзистора следующего ЛЭ. Это напряжение снижается с ростом числа нагрузок n, что ограничивает нагрузочную способность в состоянии . Поскольку опорный транзистор открыт, и в его коллекторной цепи протекает ток , то напряжение на прямом выходе

. (10.11)

При напряжении на одном или нескольких входах соответствующие входные транзисторы открыты, а опорный транзистор закрыт. На инверсном выходе , где

, (10.12)

т. е. напряжение низкого уровня на инверсном выходе уменьшается при росте входного напряжения (см. рисунок 10.28), поскольку увеличивается ток I ₀. При этом на прямом выходе , где определяется соотношением (10.10).

Для элементов МЭСЛ характерен малый логический перепад В. Средний порог переключения получают из условия . Опорное напряжение задают от специальной схемы, размещаемой на том же кристалле и используемой для многих ЛЭ. В этой схеме предусматривают компенсацию изменений напряжений эмиттер-база входных и опорного транзисторов.

Вследствие малого логического перепада элементы МЭСЛ имеют сравнительно низкую помехоустойчивость. При температуре 25 °С и номинальном напряжении питания типичные значения мВ, а в рабочих диапазонах температур и напряжений питания они уменьшаются до мВ. Нагрузочная способность, как отмечалось выше, ограничена понижением напряжения при росте нагрузки: . Типичные значения напряжения питания – (2…3) В.

Потребляемая мощность практически одинакова для обоих состояний ЛЭ, поскольку ток I ₀ почти не изменяется при переключении:

.

Как отмечалось ранее (10.7), быстродействие МЭСЛ-вентиля возрастает с уменьшением логического размаха, который ограничивается допустимым уровнем помехоустойчивости.

Для повышения быстродействия элементов МЭСЛ необходимо уменьшать барьерные емкости p-n переходов, паразитные емкости проводников, сопротивление базы, ограничивать число нагрузок и увеличивать граничную частоту транзисторов. Все это достигается совершенствованием конструкции и технологии изготовления микросхем. Уменьшение сопротивления R_K ограничено увеличением потребляемой мощности.

Элементы МЭСЛ используют в сверхбыстродействующих БИС, где обеспечиваются малые уровни помех и паразитные емкости.

При относительно большой емкости нагрузки (C_H > 10 пФ) и (или) большом числе нагрузок (n > 10) в сверхбыстродействующих цифровых микросхемах применяют более сложные элементы ЭСЛ. Схема такого элемента ЭСЛ приведена на рисунке 10.29, а. Она содержит дополнительно два выходных эмиттерных повторителя на транзисторах VT_{3, 4} и резисторах R_Э.п . В остальном эта схема совпадает со схемой элемента МЭСЛ и выполняет те же логические функции.

Выход 1 – инверсный, на нем реализуется функция ИЛИ-НЕ , выход 2 – прямой, ему соответствует логическая функция ИЛИ .

а) б)

Рисунок 10.29 - Базовая схема (а) и передаточная характеристика (б) ЭСЛ-вентиля

Принципы работы элементов ЭСЛ и МЭСЛ аналогичны, однако их основные параметры заметно различаются. Благодаря использованию эмиттерных повторителей и большему напряжению питания (U _и.п = –5 В) элементы ЭСЛ по сравнению с элементами МЭСЛ имеют бó льшие логический перепад, помехоустойчивость, нагрузочную способность, допустимую емкость нагрузки, потребляемую мощность, среднюю задержку и площадь, занимаемую на кристалле.

Передаточные характеристики элемента ЭСЛ при Т = 25 °С для инверсного 1 и прямого 2 выходов представлены на рисунке 10.29, б. Эмиттерные повторители выполняют функцию согласующих схем смещения уровня выходного напряжения, предотвращающих режим насыщения входных транзисторов последующих ЛЭ. Действительно, выходные напряжения элемента ЭСЛ (рисунок 10.29, б) оказываются ниже выходных напряжений элемента МЭСЛ (см. рисунок 10.28) на величину прямого напряжения на эмиттерных переходах транзисторов VT₃, VT₄ (см. рисунок 10.29, а).

Эмиттерные повторители увеличивают нагрузочную способность, ослабляя зависимость уровня напряжения от числа нагрузок. С ростом числа нагрузок увеличивается выходной ток, и уровень понижается вследствие увеличения падения напряжения на резисторе R_K. Однако базовый ток транзистора VT₃, протекающий через этот резистор, в раз меньше выходного тока. Поэтому нагрузочная способность элементов ЭСЛ значительно выше, чем элементов МЭСЛ: n = 10…20.

Эмиттерные повторители позволяют также увеличить логический перепад (до В при Т = 25 °С), что невозможно в элементах МЭСЛ из-за перехода входных транзисторов в режим глубокого насыщения. Благодаря большему логическому перепаду возрастает помехоустойчивость до мВ при Т = 25 °С и номинальном напряжении питания и мВ в рабочих диапазонах температур и напряжений питания.

Наряду с этим мощность, потребляемая элементом ЭСЛ, в 3…5 раз выше, чем МЭСЛ, так как дополнительная мощность потребляется эмиттерными повторителями, и элемент ЭСЛ используется при большем напряжении питания В. Для уменьшения потребляемой мощности эмиттерные повторители могут подключаться к источнику питания с меньшим напряжением, например –2 В.

Отличительной особенностью схемотехники ЭСЛ является использование в качестве общей шины (земли) положительного выхода источника питания. Это связано с необходимостью обеспечения постоянного потенциала во времени плюсовой шины, так как входной сигнал относительно этой шины мал (0, 4 В в МЭСЛ), а относительно минусового вывода источника значительно выше (4, 6 В при U_и.п = 5 В). Поэтому конструктивно плюсовая шина должна обладать малой индуктивностью и сопротивлением (бó льшая площадь металлизации). Кроме того, заземление плюсовой шины позволяет использовать раздельные источники питания для логической части схемы и эмиттерных повторителей. В этом случае импульсные токи эмиттерных повторителей не наводят потенциальных помех на индуктивности и сопротивлении плюсовой шины логического ядра ИС, что позволяет работу с малым логическим перепадом и высоким быстродействием.

Функциональные возможности ЭСЛ могут быть существенно расширены простыми схемотехническими приемами:

· подключение выходов нескольких элементов на общее сопротивление (эмиттерный дот);

· многоярусное (последовательное) включение переключателей тока.

Первый прием использует способность эмиттерных повторителей поддерживать высокий уровень напряжения, если включен хотя бы один из параллельно объединенных транзисторов (рисунок 10.30).

Рисунок 10.30 - Схема «эмиттерного дота»

Выход с открытым эмиттером характерен для элементов типа ЭСЛ. Для работы на магистраль такие элементы не используются. Возможность соединять друг с другом выходы с открытым эмиттером при объединении эмиттерных резисторов в один общий резистор приводит к схеме (рисунок 10.30), иногда называемой «эмиттерный дот» и используемой при построении логических схем для получения дополнительной операции монтажной логики. Элементы ЭСЛ имеют противофазные выходы, на одном из которых реализуется функция ИЛИ, на другом – ИЛИ-НЕ. Соединяя прямые выходы нескольких элементов, получают расширение по ИЛИ (входные переменные соединяемых элементов образуют единую дизъюнкцию). Соединяя инверсные выходы, получают операцию И-ИЛИ относительно инверсий входных переменных, так как при этом

.

Соединяя прямой выход с инверсным, можно получить функцию вида

.

Другой способ заключается в последовательном (как правило, до трех ярусов) включении токовых переключателей, что позволяет реализовать более сложные логические функции при минимальных схемотехнических затратах. Эта особенность ЭСЛ нашла широкое практическое применение при разработке БИС на основе базовых матричных кристаллов БМК.