2.3.6. Інтегральна інжекційна логіка

Після вивчення властивостей біполярного транзисторного ключа розглянемо схемотехніку логічних елементів з послідовним та паралельним з’єднанням транзисторів (рис. 2.40, а, б). Основна ідея приведених схем заключається в порівнянні суми опорів (провідностей) ключових транзисторів з R_к . Незважаючи на те, що схема 2І-НІ (рис. 2.40, а) по кожному входу має індивідуальну характеристику, окремо взяті логічні елементи добре виконують свої логічні функції. Але при їх навантаженні на аналогічні схеми неідентичність вхідних характеристик приведе до того, що величини струмів баз транзисторів навантаження будуть відрізнятися у десятки разів. Це означає, що вхід з більшою крутизною характеристики візьме на себе левову частину вихідного струму попереднього ключа. Це явище відоме як перехоплення струму і є типовим явищем для паралельного підключених нелінійних елементів. Тому паралельне з’єднання нелінійних елементів у практиці не використовується.

Перехоплення струму приводить до нерівномірного розподілення струмів керування логічних елементів навантаження, через що деякі з елементів можуть навіть не ввійти у режим насичення.

В иключити явище перехоплення струму можна лише при використанні у навантаженні транзисторів з повністю ідентичними вольт-амперними характеристиками базового p-n переходу. Практично це можливо тільки в тому випадку, якщо це буде один і той же транзистор. Тобто функцію розгалуження струмів необхідно організовувати в одному транзисторі, який повинен мати декілька колекторів. В результаті приходимо до базової схеми інжекційної логіки І²Л (рис. 2.41, а).

У приведеній схемі транзистор VT1, включений за схемою з загальною базою, генерує стабільний струм, який подається в базу багатоколекторного транзистора.

Назва “інжекційна логіка” пояснюється тим, що транзистор VT1 (точніше, його емітер) є інжектором р- зарядів, які подаються в базу VT2. Вказані заряди задають величину струму в колекторах VT2. Інвертор VT2 вимикається тоді, коли струм колектора VT1 відбирається з бази VT2 в інше коло – наприклад, у колектор попереднього аналогічного логічного елемента. Таке перемикання струму забезпечується відповідним зменшенням вхідної напруги U_ВХ .

Величина високого логічного рівня задається падінням напруги на зміщеному в прямому напрямку p-n переході база-емітер багатоколекторного транзистора VT2. Низький рівень вихідної напруги визначається потенціалом колектора насиченого ключового транзистора. Малий рівень логічної “1” задає і низький рівень напруги живлення Е = 2 U_бе = 1,5 В. Менша величина напруги живлення недопустима через виключення транзистора VT1.

Вихідна характеристика І²Л в цілому майже не відрізняється від аналогічної характеристики біполярного насиченого ключа. Величини колекторних струмів можуть змінюватись паралельним з’єднанням колекторів багатоколекторного транзистора, що широко використовується при побудові схем перетворювачів рівнів сигналів. Час включення та виключення ключа задається необхідною величиною струму VT1.

При побудові логічних схем використовується об’єднання колекторів багатоколекторних транзисторів. Іноді інжектор VT1 також будується за багатоколекторною схемою.

На рис. 2.42 приводиться схема, в якій, поряд з операціями інверсії по виходах y₁ та y₂ , виконується операція АБО-НІ

.

На базі І²Л ІС легко будуються тригерні схеми. На рис. 2.43 приведена схема RS-тригера, яка розкриває основні переваги даної технології. Вони заключаються в тому, що інтегральні логічні елементи мають мінімальну кількість напівпровідникових елементів та внутрішніх з’єднань. Схеми не мають у своєму складі складних у технологічному плані елементів – резисторів. Все це дозволяє підвищувати рівень інтеграції в фактично стандартному технологічному процесі біполярної транзисторної логіки. Підвищення швидкодії елементів І²Л технології досягається за рахунок переходу на транзистори Шоткі.

На сьогоднішній день використання І²Л технології обмежене. У вітчизняній практиці на її основі виготовляються лише декілька видів мікросхем. Це мікросхеми пам’яті серії 541 (541РУ1А, 541РУ21 – мікросхеми статичних оперативних запам’ятовуючих пристроїв; 541РЕ1 – постійний програмований запам’ятовуючий пристрій масочного типу). Реальні технічні параметри (для порівняння з іншими базовими логічними елементами) такі:

t_З ≈ 2 3 нс; Р_СП ≈ 0,2 мВт; А ≈ 0,1 пДж.

У практиці відомих західноєвропейських та американських компаній технологія І²Л також не знаходить поки що широкого використання. Пояснюється це здебільшого значним прогресом у розвитку КМОН- та БіКМОН-технологій.