вход Вход Регистрация



Для улучшения параметров и качества БИС и СБИС применяют различные варианты схем ТТЛ, И2Л, ЭСЛ и их комбинация.

Требования, предъявляемые к параметрам элементов в БИС и СБИС имеют специфику, определяемую условиями, в которых работают эти элементы. При этом существенно разные требования предъявляются к элементам во внутренней структуре БИС (СБИС) и элементам, на их входах и выходах. Если допустимая мощность, рассеиваемая кристаллом БИС или СБИС, составляет Ркр, а площадь кристалла равна Акр, то получим ограничения на потребляемую мощность Р и площадь отдельных элементов:

 

(2.1)

(2.2)

 

где Nэл – число элементов, – доля занятой ими площади.

Значения Ркр?2…5Вт и Aкр?2050мм2 ограничиваются конструкторско-технологическими факторами и возрастают относительно медленно. В то же время требования к функциональной сложности цифровых микросхем растут очень быстрыми темпами. Для реализации функций современных цифровых микросхем: микропроцессоров, микро-ЭВМ и др. требуются тысячи логических элементов, расположенных на одном кристалле. Увеличение степени интеграции достигается совершенствованием технологии, которое позволяет уменьшить размеры и улучшить параметры компонентов, и развитием схемотехники, в результате которого разрабатываются новые виды схем, имеющие меньшие потребляемую мощность и площадь, более высокое быстродействие.

Условие (2.1) наиболее легко выполняется при использовании элементов КМДПТЛ, для которых Р=0. Из остальных типов элементов наименьшие значения Р имеют схемы И2Л. Выполнить условие (2.2) проще всего при использовании элементов И2Л и МДПТЛ, имеющих наименьшую площадь. Поэтому наиболее высокая степень интеграции Ки=4—5 достигается в СБИС использующих в качестве элементной схемы И2Л, МДПТЛ. Элементы ТТЛ (в том числе с диодами Шотки) и ЭСЛ, имеющие более высокие значения Р и Акр, но и меньшую величину задержки переключения t3, служат элементной базой быстродействующих микросхем с меньшей степенью интеграции, которая составляет Ки=3 в современных БИС. Для создания быстродействующих микросхем со степенью интеграции Ки>3 необходимо увеличить быстродействие элементов И2Л, МДПТЛ, КМДПТЛ и уменьшить мощность и площадь элементов ТТЛ, ЭСЛ.

Одним из перспективных способов повышения быстродействия и снижения мощности элементов биполярных БИС является уменьшение перепада логического сигнала Uл и напряжения питания. Однако при их использовании падает помехоустойчивость микросхем, что усложняет проектирование и применение цифровых систем. Поэтому целесообразно использовать сигналы с малым перепадом Uл внутри микросхем, где помехи относительно малы, и сигналы с повышенным перепадом U?л при передаче информации по внешним цепям, где возможны значительные помехи. Для реализации двух значений логического перепада в БИС используются элементы трех видов: элементы с малым логическим перепадом Uл во внутренней структуре БИС, входные буферные элементы с относительно высоким порогом переключения, обеспечивающие необходимую помехоустойчивость по отношению к помехам во внешних цепях, мощные выходные буферные элементы, формирующие во внешних цепях достаточно большой перепад U?л.

В микросхемах ТТЛ в качестве входных трансляторов используются схемы со сложным инвертором либо их упрощенные варианты (рисунок 2.3, а – в), занимающие меньшую площадь. Транслятор на рисунке 2.3, а имеет меньшую задержку переключения, чем транслятор на рисунке 2.3, б, но более высокий уровень . Поэтому для переключения последующих схем с простым инвертором необходимо повысить их порог включением диода VD, в эмиттерную цепь (рисунок 2.3, а). В трансляторе на рисунке 2.3, в используется горизонтальный или вертикальный р-п-р транзистор VT0, включенный по схеме с общим коллектором. Благодаря этому входной ток I0вх уменьшается в (В'+1) раз, где B' — коэффициент усиления тока p-n-p транзистора, а ток I1вх=0. Диод VD0 служит для пропускания тока Iбр1 из базы транзистора VT1 при поступлении на вход низкого потенциала U0, благодаря чему ускоряются его запирание и переключение схемы.

Рисунок 2.3 – Входные (а, б, в) и выходной (г) трансляторы ТТЛ

В качестве выходных трансляторов в микросхемах ТТЛ чаще всего используются схемы со сложным инвертором, которые обеспечивают достаточно большую величину Uл=3В, значительные выходные токи I0н тах, I1н min и относительно высокое быстродействие при большой емкостной нагрузке Сн (десятки и сотни пФ). Если выходы нескольких микросхем ТТЛ подключаются в общей внешней линии связи (магистрали), то выходные трансляторы должны иметь третье, «отключенное», состояние.

Если сигнал с выхода микросхемы поступает на какой-либо элемент индикации: лампу, светодиод, жидкокристаллический индикатор и т.п., - то в качестве выходного каскада используется схема ТТЛ с «открытым коллектором» (рисунок 2.3, г). В состоянии Uвьк=U0=Uост2 замыкается выходная цепь и зажигается элемент индикации, например лампа. Если используются высоковольтные элементы индикации (газонаполненные индикаторы), работающие при напряжении Е1=50…100В, то выходной транзистор VT2 должен иметь высокое пробивное напряжение Unp.KЭ > Еи, что достигается благодаря соответствующему проектированию его физической структуры. Если схема обеспечивает достаточно высокое значение максимального выходного тока I0 н mаx, то можно подключать к ее выходу светодиоды, управляющие обмотки реле и другие исполнительные устройства срабатывающие при протекании тока.

Для согласования параметров элементов ТТЛ и И2Л на входах микросхем И2Л в качестве трансляторов включаются буферные инверторы (рисунок 2.4, а).

Рисунок 2.4 – Входной (а) и выходной (б) трансляторы И2Л

 

Сопротивление R0, R1 выбираются из условия отпирания транзистора VT1 при Uвх=U1вх. Выходным транслятором служит элемент И2Л с подключенным внешним резистором Rв (рисунок 2.4, б), сопротивление которого выбирается из условия:

(2.3)

 

где – уровень «1», который требуется обеспечить во внешней цепи; – максимальный ток, отпираемый нагрузкой. Транзисторы VT0 и VT1 выходного транслятора должны иметь достаточно высокие значения коэффициентов , чтобы обеспечивать выполнение условия насыщения (2.3) при токе , где – максимальная величина тока, поступающая от нагрузки при Uвых=U0.

При использовании данных трансляторов микросхемы И2Л и ТТЛ совместимы по входным уровням U0, U1 т.е., выходные сигналы одной из них можно непосредственно использовать для переключения другой и наоборот. Поэтому микросхемы И2Л и ТТЛ часто используются в цифровых устройствах совместно.

Большинство схем трансляторов имеет существенно более высокие значения потребляемой мощности Pкр и площади Акр, чем элементы внутренней структуры БИС. Поэтому при их применении возрастает площадь кристалла и рассеиваемая мощность:

 

(2.4)

(2.5)

 

где nв – число логических входов и выходов микросхемы; значения , достигает 3–5. Для уменьшения Ркр и Акр при проектировании БИС стремятся обеспечить чтобы

В ЦИМ на элементах МДПТЛ и КМДПТЛ возможность уменьшения потребляемой мощности ограничивается значениями порогового напряжения Е?(2-3)U0. В этих микросхемах снижение Е и соответственно перепада Uл не приводит к повышению быстродействия, так как наряду с уменьшением перепада напряжения на паразитной емкости Сп возрастают постоянные времени ее перезаряда , где b – удельная крутизна МДП-транзисторов. Поэтому в БИС и СБИС на МДП-транзисторах все элементы обычно имеют одинаковое напряжение питания Е.

Поэтому выходные элементы этих транзисторов реализованы со сложными инверторами, входной элемент как инвертор-усилитель на биполярном транзисторе (см. раздел 1.8 и подраздел 1.8.2).

Для внутренних элементов СБИС с целью получения высокой плотности их размещения применяют простые схемы без сложных выходных каскадов, поскольку такие элементы работают при известных заранее и фиксированных нагрузках. Для связи с внешними нагрузками в составе элементов СБИС имеются обычно специальные периферийные буферные элементы, обеспечивающие более высокую выходную мощность.

 

 

3 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Преобразовательные устройства – это функциональные узлы комбинационного типа: преобразователи кодов, мультиплексоры и демультиплексоры, шифраторы и дешифраторы, компараторы и прочие.

 

© 2017
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру