2.3.5. Базові елементи БіКмон-технології
Успіхи у розвитку цифрової схемотехніки останнього десятиріччя в значній мірі обумовлені БіКМОН-технологією, яка поєднує біполярну і КМОН-технології в одному базовому логічному елементі. Мета такого поєднання – поєднання переваг КМОН (низької споживаної потужності, високого вхідного опору, високих порогових рівнів) з високою навантажувальною здібністю ТТЛ, яка особливо проявляється при зростанні ємності навантаження.
У БіКМОН, як і в КМОН-технології, використовується велика кількість інверторів. Усі вони базуються на використанні n-p-n транзисторів для збільшення вихідного струму з КМОН-інверторів.
Найбільш просто це досягається шляхом з’єднання кожного з польових транзисторів інвертора VT1 і VT2 з n-p-n транзистором VT3 і VT4, як зображено на рис. 2.37, а. Таке з’єднання транзисторів забезпечує високий вхідний опір. Біполярні транзистори фактично з’єднані за такою ж конфігурацією, що і вихідний каскад ТТЛ ІС. Функції інверсії і розщеплення фази вхідного імпульсу забезпечується парою польових транзисторів.
Робота схеми полягає у наступному. При низькому рівні вхідного сигналу UВХ транзистори VT2 і VT4 знаходяться у вимкнутому стані, а транзистор VT1 включається. Він починає проводити струм від джерела E в базу транзистора VT1, включаючи його. Останній забезпечує високий вихідний струм для зарядки ємності навантаження інвертора. В результаті час зарядки ємності значно скорочується і зменшується тривалість фронту вихідного імпульсу. Транзистор VT3 виключається, коли вихідна напруга UВИХ досягне величини (Е – UБЕ), і тому високий вихідний рівень ключа буде меншим, ніж напруга живлення Е, що є його недоліком. Коли UВХ переймає високий рівень, транзистори VT1 і VT3 вимикаються, а VT2 вмикається, забезпечуючи своїм струмом базу транзистора VT4. Останній відкривається і забезпечує можливість протікання значного струму розряду конденсатора навантаження, що приводить до суттєвого скорочення тривалості спаду імпульсу і результуючої затримки. Негативна властивість ключа полягає в тому, що VT2 вимикається, якщо UВИХ досягне величини UБЕ.4 і, відповідно, вихід низького рівня буде вищим від нуля.
Окрім вказаних недоліків, існує ще один, який полягає в тому, що при протіканні струму через бази VT3 і VT4 в них накопичується збитковий заряд і при закриванні транзисторів не існує шляху для його видалення. Як результат, транзистори закриваються повільно, затягуючи перехідні процеси і створюючі допоміжні динамічні струми. Ця проблема може бути розв’язана шляхом підключення до баз транзисторів VT3 і VT4 резисторів R1 і R2 (рис. 2.37, б). У такій схемі накопичений у базах транзисторів заряд стікає на землю через резистори R1 або R2 . Резистор R2 забезпечує допоміжну позитивну властивість у роботі ключа. Вона полягає в тому, що при UВХ = 1 і після того, як транзистор VT4 закриється, напруга UВИХ продовжує падати нижче UБЕ.4 і вихідний електрод зменшує свій потенціал через послідовно включені транзистор VT2 і резистор R2 . Тобто резистор R2 забезпечує підтягування вихідного потенціалу ключа до нульового рівня. Але це коло має високий опір, тому цей процес повільний. У той же час, резистор R1 приводить до зростання статичної розсіюваної потужності. При UВХ = 0 має місце коло для протікання постійного струму від джерела Е через транзистор VT1 і резистор R1 на загальну шину.
На рис. 2.38, а приведена схема, в якій опори R1 і R2 замінені n-МОН транзисторами. Перш за все, така заміна спрощує технологічний процес виготовлення мікросхем, оскільки виготовлення транзистора простіше, ніж резистора. З іншого боку, транзистори виконують функції резисторів лише тоді, коли це необхідно. Транзистор VT3 буде проводити тільки при UВХ = 1 протягом часу, коли його струм буде зворотнім базовим струмом для VT5, прискорюючи його вимикання. Аналогічно, VT4 буде проводити лише тоді, коли UВХ зменшується і заряд бази транзистора VT6 необхідно видалити для прискорення його запирання.
Останній варіант БіКМОН інвертора, зображений на рис. 2.38, б, називається R-схемою. Вона відрізняється від схеми, приведеної на рис. 2.37, б, лише тим, що R1 приєднаний не до загальної шини, а до виходу інвертора. Така проста заміна має дві позитивні властивості. Перша полягає у зменшенні споживаної статичної потужності. Друга – характерна тим, що R1 використовується як підтягуючий резистор високого рівня вихідної напруги до величини напруги живлення Е, що підвищує верхній пороговий рівень інвертора.
Таким чином, R-схема забезпечує вихідні рівні напруги близькими до напруги живлення і нуля.
При проектуванні схеми забезпечуються такі умови перемикання транзисторів VT3 і VT4, при яких вони не перемикаються одночасно і не входять у режим насичення.
Переваги БіКМОН-технологій проявляються в тих випадках, коли ключі працюють з великим струмом навантаження, а також при наявності значної (з точки зору інтегральних технологій) паразитної ємності. Наприклад, при роботі на навантаження з ємністю 1 пФ швидкодія БіКМОН-ключів перевищує швидкодію кращих КМОН-інверторів у 3-4 рази.
Побудова логічних схем з використанням БіКМОН-технологій має загальні риси з КМОН-технологіями. Наприклад, на рис. 2.39 приведена схема двовходового елемента І-НІ, принцип роботи якої не потребує допоміжних пояснень.
На сучасному рівні розвитку інтегральних технологій БіКМОН широко використовується при побудові мікропроцесорів, мікроконтролерів, статичної оперативної пам’яті, програмованих логічних матриць. Наприклад, фірмою Texas Instrument випускаються такі серії мікросхем за БіКМОН-технологією:
ABT Advanced BICMOS Technology ABTE Advanced BICMOS Technology/Enhanced Transceiver Logic ALB Advanced Low-Voltage BiCMOS BCT BICMOS Bus-Interface Technology LVT Low-Voltage BiCMOS Technology