Элементы интегральной инжекционной логики

Как развитие элементов транзисторной логики с непосредственными связями в последние годы появились элементы интегральной инжекционной логики (И²Л). Внешне их схемная специфика состоит в том, что исключены нагрузочные резисторы, а транзисторы имеют так называемое инжекционное питание, т. е. электрическая энергия, необходимая для работы, вводится путем инжекции неосновных носителей тока с помощью специального инжектора.

Структура транзистора с инжекционным питанием показана на рис. 1.26. В отличие от обычного транзистора здесь имеется дополнительный p₁–n₁-переход (инжектор) и его электрод (И). Кроме того, области n₁и n₂ выполняют обратные функции: n₁ - эмиттерную, n₂-коллекторную. Такую структуру можно предста­вить в виде двух транзисторов:p₁-n₁-p₂ и n₁-p₂-n₂ (рис. 1.27). Ключевой элемент К_л соединенный параллельно входу п-р-п.

Если в цепь инжектора включен источник Е_и.п., то в ней течет ток. При , ток =const.

В коллекторной цепи тран­зистора Т` протекает так I`_к = =const. Это эквивалентно нали­чию в цетщ базы транзистора Т генератора тока , что дает основание упростить схему и привести к виду рис. 1.28.

Режим работы транзистора Т зависит от состояния ключа К_Л, Если ключ замкнут, то ток I_r протекает через него, напряжение UБЭ 0, ток базы I_Б=0, транзистор залерт. Если ключ разомкнут, то I_Б=I_r, транзистор открыт и притиповой нагрузке насыщен. Покажем это, представив несколько рассматриваемых структур в виде последовательной цепочки (рис. 1.29).

Пусть внешняя цепь базы транзистора Т1 разорвана. Тогда, и транзистор открыт. Для его насыщений должно выполняться условие: , т.е. , где - статический коэффициент пере­дачи тока Т1, а -ток генератора в цепи базы транзистора Т2. Так как условие насыщения (выполняется при B₁>1. Обеспечить такое значение B не сложно.

При насыщенном транзисторе T1нагружаемый на иего тран­зистор T2заперт, так как ток течет через T1 и I_Б2 =0. Состоя­ние последующих транзисторов, таким образом, чередуется: Т3 открыт, Т4 заперт и т. д. Рассматриваемая цепочка представля­ет собой последовательное соединение инверторов. При этом наи­большее напряжение U_БЭН, соответствующее уровню логической единицы, устанавливается на входах открытых транзисторов Т1 и Т3, а минимальное-U_КЭН, соответствующее уровню логического нуля U, - на входах закрытых транзисторов Т2 и Т4.

Базовым элементом И²Л можно считать сам инвертор в не­сколько измененном виде - у него транзистор Т многоколлектор­ный, что позволяет получать другие логические элементы (ИЛИ, И, И-НЕ и др.) монтажным способом.

На рис. 1.30 изображена схема ЛЭ на транзисторах, имеющих по три коллектора, и инжекторе, представленного многоколлекторным транзистором Т`.

С помощью монтажной логики организованы операция ИЛИ-НЕ по двум выходам (y₄ и у₅) и инверсия входных сигналов ПО трем выходам (y_1, y_2, y₃). Покажем это.

Если источники сигналов X_iимеют низкое выходное сопротивление, то токи I_ri, задаваемые транзисторам Т, отводятся от баз |Т1...ТЗ во входные цепи, и эти транзисторы заперты. Напряжение на входах U° 0. Напряжение на всех выходах ЛЭ равно (UБЭН нагрузочных транзисторов на схеме нагрузка не показана). Если хотя бы один из источников сигнала X_i переходит в высокоомное состояние (X_i=l),то ток I_r соответствующего транзистора переключается в базу, и он насыщается. При этом на его инвертирующем выходе и на выходах y₄ и y₅ устанавливается уровень логического нуля.

Заметим, что ЛЭ имеет двя одинаковых, но электрически развязанных друг от друга выхода: y₄ и y_5. Такой схемотехнический прием присущ монтажной логике. Он позволяет разветвлять вы­ходной сигнал по нагрузкам.

На рис. 1.31. Показано получение операции «Монтажное И» путем простого соединения коллекторов транзисторов с инжекционным питанием в общую точку.

Вывод от этой точки является выходом монтажного ЛЭ. Действительно, если в коллекторных (входных) цепях ток не течет, то на всех входах x_iи на выходе yза счет тока I_r нагрузки устанавливается высокое напряжение U_БЭН. Бели хотя бы, одна коллекторная цепь становится низкоомной, на выходе напряжение получается близким к нулю.

Элементы И²Л характеризуются высокой экономичностью и быстродействием. При токе инжектора 10...100 мкА, что соот­ветствует потребляемой мощности до ста микроватт, t_зд.ср. может составлять единицы наносекунд [3]. Высокое быстродействие объ­ясняется небольшим (0,5...0,7В) перепадом логических уровней и малой паразитной емкостью структуры. При применении диодов Шотки можно снизить t_зд.ср. до 0.1 нс [13]

Реализовать преимущества И²Л в простых ИС не представля­ется возможным из-за низкой помехоустойчивости. Однако струк­туры И²Л весьма перспективны для БИС и СБИС.