Логические элементы с инжекционным питанием
В логических элементах с инжекционным питанием (И2Л) применяют транзисторы с инжекционным питанием, принцип действия которых был рассмотрен в главе 6. В основу построения схемы И2Л положена схема ТЛНС (см. рис. 8.17), в которой резистор RK заменен р-n-р-транзистором VT0, включенным по схеме с общей базой (рис. 8.24, a). Этот транзистор выполняет функции источника тока, который питает коллекторные цепи транзисторов VT1 и VT2, когда они находятся в открытом состоянии. Если же VT1 и VT2 закрыты, то источник тока питает базовую цепь последующего логического элемента. Базы транзисторов VT1 и VT2 подключены к коллекторам предыдущих ЛЭ и питаются также от своих источников тока I0. На принципиальных схемах генераторы тока I0 показывают в каждой базовой цепи (рис. 8.24, б).
Рассмотрим, как работает схема И2Л. Когда на входы схемы поступают логические нули от предыдущих ЛЭ, то генераторы I01 и I02 питают коллекторные цепи предыдущих элементов. Транзисторы VT1 и VT2 закрыты, и генератор I03 питает базовую цепь последующего ЛЭ. Если на вход х1 поступает напряжение U1 то транзистор VT1 открывается и его базовая цепь питается от генератора I01|, а коллекторная цепь — от генератора I03. Транзистор переходит в режим насыщения и на выходе ЛЭ устанавливается напряжение, соответствующее логическому нулю. То же происходит при подаче U1 на вход х2 . То есть схема выполняет логическую операцию ИЛИ—НЕ.
Включать в каждую базовую цепь транзистор р-п-р, выполняющий функции источника тока I0 нецелесообразно. Учитывая, что базы всех транзисторов р-п-р заземлены, а эмиттеры, называемые инжекторами, подключены к источнику питания через резисторы, обеспечивающие стабильность тока инжекторов, в интегральных схемах вместо большого числа индивидуальных источников тока используют один многоколлекторный транзистор типа р-n-р, каждый коллектор которого подключен только к одной базе соответствующего транзистора. Этот принцип иллюстрирует рис. 8.25, а, где представлена топология двухвходового логического элемента, который является частью большой интегральной схемы. В этой структуре инжектор представляет собой узкую полоску с дырочной электропроводностью, созданную в полупроводнике с электронной электропроводностью, справа и слева от инжектора расположены карманы с дырочной электропроводностью. Вертикальный разрез структуры, проходящий через один из карманов, показан на рис. 8.25, б. Нетрудно убедиться, что такая структура содержит два транзистора с инжекционным питанием (ср. с рис. 6.18). Шины х1 и х2 подключены к коллекторам соседних предыдущих вертикальных структур (на схеме не показаны). Если на этих шинах напряжение равно U0, то дырки проходят путь от инжектора через базы транзисторов VT1 , VT2 и попадают в коллекторы транзисторов предыдущих логических элементов. Если на одной из этих шин напряжение равно U1, то дырки накапливаются в базе вертикального n-р-n-транзистора и он переходит в режим насыщения. При этом его коллекторная цепь питается от общего инжектора через шину Y, соединенную с базой последующего логического элемента (на схеме не показан), в которую поступают дырки от общего инжектора.
Обычно к выходу ЛЭ подключают параллельно несколько последующих ЛЭ, поэтому вертикальные n-р-n-транзисторы делают многоколлекторными. Количество коллекторов равно количеству последующих ЛЭ, подключаемых к выходу предыдущего ЛЭ.
Рассмотренные схемы и структуры реализуют операцию ИЛИ—НЕ. Для реализации операции И применяют схему, показанную на рис. 8.26. Если на входах х1 = х2 = U0, то транзисторы VT1 и VT3 закрыты, а транзисторы VT2 и VT4 открыты и на выходе Y =U0. Если на одном из входов (x1 или х2) действует сигнал U1, а на другом — U0, то состояние схемы не меняется. Если же х1 = х2 = U1, то транзисторы VT1 и VT3 открыты, a VT2 и VT4 закрыты и Y =U1 .Для выполнения операции И—НЕ к выходу схемы подключают дополнительный инвертор.
В силу целого ряда достоинств логические элементы И2Л нашли применение в больших интегральных схемах. Они занимают небольшую площадь, что связано с отсутствием изолирующих карманов между транзисторами (эмиттеры всех транзисторов заземлены). Они потребляют небольшую мощность, так как транзисторы работают в режиме микротоков, а для того чтобы открыть инжекторный переход, достаточно напряжения около 1В. Кроме того, они обладают достаточно высоким быстродействием.