2.3

Основные типы интегральных логических схем

Как уже отмечалось, проектирование аппаратуры в некотором смысле напоминает программирование. Программист пытается реализовать алгоритм, используя набор команд данной универсальной ЦВМ. Аналогично разработчик обычно проектирует аппаратуру, реализующую тот или иной алгоритм, используя булевы уравнения с учетом специфики выбранной серии логических элементов. Основное различие между этими двумя направлениями состоит в следующем: программист может считать свою систему команд «идеальной» в том смысле, что каждая из них выполняется точно; логическая схема также будет «идеальной» при условии, что конструирование проведено грамотно, помехи малы, температурная проблема решена и т. д.

Поэтому разработчик аппаратуры вынужден иметь гораздо больше дополнительных сведений о логических схемах, чем программист об освоенной им системе команд. В этом разделе рассмотрены основные существующие в настоящее время типы логических схем и их классификация; приведены некоторые спецификации выпускаемых промышленностью логических схем и показано, насколько важны для разработчика эти сведения.

Прежде всего, логические интегральные схемы подразделяются на биполярные и униполярные. Биполярные ИС представляют собой обычные транзисторные схемы, использующие оба типа проводимости (электронную и дырочную), тогда как униполярные основаны на полевом эффекте, заключающемся в том, что напряжение затвора управляет протекающим в любом направлении между истоком и стоком потоком зарядов одного знака. Внутри каждого из основных классов ИС проводится более детальная классификация. Она будет рассмотрена ниже, а сейчас лишь отметим, что униполярные устройства до сих пор представляются наиболее подходящими для схем с высоким уровнем интеграции, низкой потребляемой мощностью и умеренным быстродействием, тогда как большинство биполярных схем позволяет достичь очень высокого быстродействия, но при большей рассеиваемой мощности и меньшем уровне интеграции. Например, при существующем уровне технологии МДП (металл—диэлектрик—полупроводник) на одном кристалле можно разместить довольно сложный цифровой фильтр; плотность размещения компонентов униполярных схем на один-два порядка выше, чем биполярных. Биполярные схемы классифицируют путем сравнения режимов транзисторных цепей: транзисторы в процессе переключения либо заходят в ту область переходной характеристики, где наблюдается насыщение (насыщенная логика), либо они всегда работают на линейном участке (ненасыщенная логика). Рассмотрим сначала два типа насыщенных ИС, а затем один тип ненасыщенных ИС. На фиг. 8.10 показан вентиль с четырьмя входами резистивно-транзисторной логики (РТЛ). Если четыре входных уровня 

 низкие (нулевые), то все транзисторы закрыты, через 

 ток не течет и поэтому напряжение на выходе у равно V. Если же на любом из входов напряжение возрастает до достаточно высокого уровня, начинает течь ток и напряжение на выходе падает. Таким образом, переключающая схема, показанная на фиг. 8.10, имеет булеву функцию вида

т. е. у = 1 тогда и только тогда, когда все 

.

Фиг. 8.10. Принципиальная схема и условное обозначение вентиля НЕ-И с четырьмя входами (по Гаррету). а — принципиальная схема; б — условное обозначение.

В этом примере предполагалось, что высокому уровню напряжения соответствует логическая единица, а низкому — логический нуль. Но чему равны эти напряжения, каковы значения потребляемой мощности, какие типы транзисторов использовать и как выбрать номиналы резисторов? Все эти характеристики, а также возможности технологии по обеспечению достаточно точных значений параметров будут определять быстродействие, надежность, помехоустойчивость и т. д. Сведения такого рода можно получить из каталогов. Например, на фиг. 8.11 показана передаточная характеристика схемы РТЛ. В этих схемах применяются транзисторы с большим коэффициентом усиления поэтому относительно небольшое изменение входного уровня приводит к насыщению. Из фиг. 8.11 отчетливо видно, почему эта транзисторная схема ведет себя как переключатель, и становится понятным, какой смысл имеет термин «насыщенная логика». Следует также обратить внимание на характер изменения передаточной характеристики этой схемы по постоянному току при увеличении нагрузки от единицы (фиг. 8.11) до пяти (фиг. 8.12).

Фиг. 8.11. Передаточная характеристика по напряжению для схемы РТЛ (по Гаррету).

Фиг. 8.12. Передаточная характеристика схемы РТЛ с нагрузкой, равной пяти (по Гаррету).

Видно, что вентиль, нагруженный на пять других вентилей, имеет несколько худший режим переключения по сравнению с менее нагруженным вентилем из-за уменьшения перепада напряжения примерно на 30%.

Фиг. 8.13. Упрощенная схема ТТЛ и ее условное обозначение (по Гаррету).

В конце концов слишком большое увеличение нагрузки настолько ухудшит характеристику, что работоспособность нарушится.
На фиг. 8.13 показан упрощенный вариант схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Если 

 или 

 имеют низкий (нулевой) уровень, то ток течет через 

 и транзистор 

, поэтому 

 закрыт и на выходе образуется высокое (единичное) напряжение. Следовательно, логическое уравнение имеет вид

Отметим, что транзистор многоэмиттерный. Приведенная схема отличается от промышленных, но с ее помощью легче понять процессы переключения и объяснить номенклатуру ТТЛ. Входы в схеме ТТЛ объединяются через транзисторы в отличие от РТЛ, где для этого служат резисторы. В еще одной разновидности схем — диодно-транзисторной логики (

-входы объединяются через диоды. По многим причинам, слишком специфичным, чтобы обсуждать их здесь, схема ТТЛ — самая быстродействующая и наиболее универсальная из трех перечисленных. Номинальное значение времени переключения обычной схемы ТТЛ равно 10—12 нс. Быстродействующие ТТЛ срабатывают за 6 не, а ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛ ДШ) — за 4 нс, и их применение также экономически выгодно.

Схемы ТТЛ, ДТЛ и РТЛ относятся к семейству насыщенной логики. Для увеличения быстродействия необходимо некоторые транзисторы удерживать в линейной части их передаточных характеристик.

Фиг. 8.14. Схема ЭСЛ и ее обозначение (по Гаррету).

Это устраняет емкостные эффекты, обусловленные зарядом обедненного слоя в режиме насыщения. Ненасыщенный режим соответствует режиму класса А; ток в цепи течет все время, и поэтому рассеивается повышенная мощность. Интегральные схемы, обладающие таким свойством, относятся к эмиттерно-связанной логике (ЭСЛ), так как эмиттеры их входных транзисторов объединены (фиг. 8.14).

Схема на фиг. 8.14 состоит из четырех частей: входной цепи, дифференциального усилителя, цепи смещения и эмиттерного повторителя. Входная цепь имеет высокое входное сопротивление, а эмиттерный повторитель обеспечивает низкое выходное сопротивление; благодаря этому достигается большая нагрузочная способность по постоянному току. С помощью цепи смещения в дифференциальном усилителе устанавливается порог переключения тока. Два диода в цепи смещения компенсируют изменения уровня напряжения, вызванные вариациями температуры эмиттерных переходов транзисторов дифференциального усилителя. Кроме того, дифференциальный усилитель эффективно подавляет высшие гармоники переходного процесса. Таким образом, основное внимание при разработке схем ЭСЛ было направлено на обеспечение устойчивой работы на высоких частотах.

Фиг. 8.15. Зависимость потребляемой мощности от частоты переключения для насыщенной (ТТЛ) и ненасыщенной (ЭСЛ) логических схем.

Выше уже отмечалось, что поскольку схема ЭСЛ работает на линейном участке характеристики транзистора, то она рассеивает большую мощность (по сравнению со схемами типа ТТЛ). Отметим еще одну особенность схемы. Поскольку ЭСЛ линейна, рассеиваемая мощность не зависит от скорости переключения. Что касается ТТЛ, то ток в ней течет только во время переключения. Поэтому, чем выше скорость переключения, тем большую часть составляет это время, так что рассеиваемая мощность возрастает при увеличении скорости переключения. Это отчетливо видно из кривых на фиг. 8.15, где показаны зависимости рассеиваемой мощности от скорости переключения для ТТЛ- и ЭСЛ-вентилей.

Хотя в настоящее время более популярны ТТЛ ИС, в процессе создания высокопроизводительных сложных систем стали постепенно выявляться преимущества ЭСЛ ИС. Можно ожидать, что в дальнейшем при цифровой обработке сигналов, где важную роль играет быстродействие, ЭСЛ будут успешно конкурировать с ТТЛ.

Для быстродействующих логических схем большое значение имеет выбор конструкции. При этом приходится учитывать временные задержки в соединительных проводах, искажения формы импульса, вызываемые эффектом длинных линий даже в сравнительно коротких проводниках на высоких частотах, увеличение перекрестных искажений между соседними проводами и температурные ограничения, связанные с большой рассеиваемой мощностью.

Фиг. 8.16. Упрощенный эскиз МДП-транзистора.

Особое внимание следует обратить на системы распределения синхронизации и питающих напряжений, а также на тепловой режим (теплоотвод и грамотный монтаж, обеспечивающий равномерное распределение потока воздуха). Хорошие результаты дает применение многослойных печатных плат, которые позволяют создать надежные земляные шины, уменьшить трудности, связанные с разводкой, достичь высокой плотности монтажа и минимизировать задержки.
Перейдем к рассмотрению униполярных приборов. Они также построены на транзисторах, но основаны на другом принципе. В униполярных приборах используется полевой эффект, который состоит в том, что поток зарядов между двумя полупроводниками управляется изменением напряжения на металлическом «затворе». На фиг. 8.16 приведен эскиз прибора. Видно, что затвор изолирован от полупроводников слоем двуокиси кремния. Из-за наличия металлического затвора, слоя изолирующего окисла и (кремниевых) полупроводников эти приборы были названы МОП (металл-окисел-полупроводник).
На фиг. 8.16 показан один из вариантов построения такого прибора; на кремниевой подложке 

-типа путем диффузии создаются две области р-типа, соответствующие истоку и стоку.

Фиг. 8.17. Современные возможности интегральных схем (по Раффилу).

Затем наносится изолирующий слой окиси кремния, на котором располагается затвор—металлический управляющий элемент (обычно алюминиевый). К двум 

-областям подводятся металлические контакты. Достаточно большое отрицательное напряжение, приложенное к затвору, вызовет инверсию в кремнии 

-типа за счет притягивания дырок к поверхности затвора; в результате этого эффекта весь образец будет вести себя как простой полупроводник р-типа, и между двумя областями р-типа будет течь ток. Прибор имеет ярко выраженные ключевые свойства благодаря узкому порогу между состояниями наличия полного тока и отсутствия его.

В настоящее время серийно выпускаются уже несколько типов МДП-приборов, однако дальнейшие исследования обещают невиданные результаты. Поэтому на фиг. 8.17, где сделана попытка сопоставить преимущества и недостатки различных технологий, учитывается лишь уровень современного производства. Сравним униполярную (МДП) и биполярную технологии. Таблица соответствует уровню технологии 1973 г. Схемы МДП достигли намного большей степени интеграции, тогда как биполярные — много большего быстродействия. Несомненно, что МДП-схемы более предпочтительны для построения больших интегральных схем (БИС), что объясняется простотой технологического процесса, меньшими размерами и более низкой мощностью рассеивания МДП-транзисторов. Использование БИС в свою очередь сильно упрощает проблему монтажа.

Из таблицы на фиг. 8.17 видно, что при построении быстродействующих устройств цифровой обработки лучший компромисс между быстродействием и сложностью достигается для биполярных схем. Заманчиво, однако, сознавать, что существующий уровень МДП-технологии позволяет построить достаточно сложный цифровой фильтр целиком на одном кристалле! По-видимому, в настоящее время основным применением МДП-технологии в цифровой обработке сигналов является память на регистрах сдвига; для четырехфазных устройств достигнуто быстродействие 20 МГц.

Таблица 8.1. Сравнение основных типов логических интегральных схем (из статьи Гаррета)

(см. скан)

Как станет ясно в гл. 9, цифровой фильтр можно построить, используя в качестве памяти регистры сдвига.

В заключение приведем отредактированную табл. 8.1, взятую из статьи Гаррета, посвященной основным типам логических схем. Пользуясь ею, подведем итоги раздела. Во-первых, только схемы ТТЛ, ЭСЛ и МДП представляют в настоящее время интерес для цифровой обработки сигналов. Хотя схемы МДП ДТ (дополняющие МДП-транзисторы, см. последний столбец таблицы) не рассматривались, из таблицы следует, что они имеют определенные преимущества перед обычными схемами МДП. В настоящее время наиболее популярны схемы ТТЛ, которые обладают большой универсальностью, достаточным быстродействием и хорошо освоены разработчиками аппаратуры. С другой стороны, быстро завоевывают признание ЭСЛ-схемы. По-видимому, именно они лучше всего подходят для применений в области цифровой обработки сигналов. Несомненно, что в процессе ее развития будут широко использоваться логические схемы трех указанных типов