Эмиттерно-связанная логика

В эмиттерно-связанной логике (ECL, emitter-coupled logic) использу­ется дифференцальные усилители, в которых транзисторы не вво­дятся в насыщение (рис.). Благодаря этому данные схемы имеют повышенное быстродействие.

Во входном дифференциальном усилителе схемы напряжения вход­ных сигналов х0 и х1 сравниваются с опорным сигналом. Если х0 и х1 имеют значение L, то транзисторы Т1 и Т2 заперты, а транзистор Тз открыт. Если, наоборот, хо и х1 имеют значение Н, то Т1 или Т2 открыты, а Тз заперт. Выходной сигнал имеет значение Z. Следовательно, схема выполняет функцию вентиля ИЛИ-НЕ. Порог переключения может быть задан напряжением на базе Т3, устано­вленным с помощью делителя напряжения.

0V

Рис. НЕ-ИЛИ-вентиль на основе ELC: а) схема; в) логический символ

Скорость преобразование информации на уровне логических венти­лей определяется их схемотехнической организацией, топологией и, главным образом, быстродействием элементарных переключателей- транзисторов.

Быстродействие транзисторов, характеризующиеся временами переключения из открытого состояния в закрытое и наоборот, опре­деляется принципом действия, физической структурой и топологи­ческими размерами. На протяжении сорока пяти лет переключатели в устройствах автоматики совершенствова­лись. Этот процесс носит эволюционный характер — прежде всего уменьшаются размеры классических транзисторов и совершенству­ются их физическая структура. Одновременно с этим процессом ведутся интенсивные поиски новых принципов функционирования, которые обеспечили бы более высокое быстродействие. В настоя­щее время известно большое число транзисторов различных типов, разобраться с которыми удобно с помощью классификационной диа­граммы, приведенной на рис. 3.

Первым классификационным признаком транзисторов как пере­ключателей для цифровых схем являются принцип действия.

В транзисторах скоростные и усилительные свойства обеспечи­ваются специфическими физическими процессами, явлениями и эф­фектами, протекающими в монокристаллических и поликристалли­ческих полупроводниковых материалах. В результате взаимодей­ствия этих процессов и их определенной последовательности ока­зывается возможным управлять величиной тока между токопроводящими (управляемыми) электродами, посредством напряжения и/или тока на входном электроде. Причем малые величины входных воздействий позволяют управлять токами между токопроводящими электродами в широком диапазоне.

Для обеспечения высокого быстродействия элементарных пере­ключателей необходимо чтобы транзисторы были способны комму­тировать возможно большие токи при возможно меньших управля­ющих напряжениях.

Количественно это свойство транзистора как переключателя- усилителя определяется параметром, называемым крутизной характеристики. Видами физических процессов определяются также такие важ­ные характеристики переключателя как сопротивления между токопроводящими электродами в открытом Rотк и закрытом Rзакр со­стояниях.

Физические процессы определяют также сколько энергии необ­ходимо затратить на отпирание и запирание переключателя и за какое время это можно осуществить. Скоростные качества транзи­сторов определяются характерными рабочими частотами. По прин­ципу действия транзисторы подразделяются на два класса биполяр­ные и униполярные.

В биполярных транзисторах под воздействием входных сигна­лов протекают процессы инжекции неосновных носителей заряда, их рекомбинация с основными носителями в процессе дрейфа и диф­фузии, коллектирование носителей заряда.

Эти процессы обуславливает перемещение и накопление электро­нов и дырок в структуре биполярного транзистора, токи и потен­циалы на внешних токопроводящих электродах транзисторов в за­висимости от внешнего воздействия на управляющем электроде.

Особенностями биполярного транзистора как переключателя, вы­текающими из его принципа действия, являются высокая величи­на крутизны преобразования, малые величины сопротивления в от­крытом состоянии и высокие значения сопротивления в закрытом состоянии.

Высокая величина крутизны преобразования обусловлена про­цессом инжекции неосновных зарядов, их дрейфом и диффузией, обуславливающих близкие к единице значения коэффициента пере­дачи тока и экспоненциальной зависимостью тока от входного на­пряжения. Малые величины сопротивления между токопроводящи ми электродами эмиттера и коллектора в открытом состоянии обу­словлены, так называемым, режимом насыщения. В этом режиме сопротивление идеального биполярного транзистора равно нулю. В реальном же транзисторе это сопротивление определяется па­разитным сопротивлением области коллектора. Поэтому открытый биполярный транзистор способен пропускать между электродами эмиттера и коллектора токи больших величин без существенного па­дения напряжения между ними. Такова позитивная сторона режима насыщения, специфического режима работы биполярного транзи­стора. Негативная сторона режима насыщения заключается в том, что в этом режиме происходит накопление избыточного заряда нео­сновных носителей. Этот избыточный заряд увеличивает время за­крывания транзистора на величину времени его рассасывания.

Другими факторами, определяющими быстродействие биполяр­ных транзисторов являются паразитные емкости.

В униполярных транзисторах (ПОЛЕВЫХ), в отличие от биполярных, прин­цип действия базируется на управлении входным воздействием (полем) потоком носителей одного знака или электронов, или дырок. Уни­полярные уни­полярные транзисторы называются полевыми, причем последнее на­звание используется чаще.

Ток в полевых транзисторах, поскольку они являются униполяр­ными, переносится только основными носителями и паразитный эф­фект накопления неосновных носителей в них отсутствует. За ис­ключением полевых транзисторов с управляющим р - п переходом. Это первая особенность полевых транзисторов как переключате­лей, вытекающая из физического принципа действия. Быстродей­ствие полевых транзисторов определяется сопротивлением канала, прямо пропорциональным его длине и паразитными емкостями. От длины канала зависит также и величина крутизны преобразования. Вторым классификационным признаком можно принять струк­туру транзистора. По данному принципу биполярные транзисторы подразделяются на гомо и гетеро структурные. Особенностью бипо­лярных транзисторов, вытекающей из физической структуры, явля­ется необходимость их изоляции друг от друга при использовании в составе интегральной схемы. Средства изоляции (обратносмещенный р-п переход, диэлектрические области и комбинации р-п пе­реходов и диэлектриков) являются вспомогательными элементами конструкции, которые не определяют выполнение функций ключа, но требуют дополнительных затрат площади и вносят паразитные емкости, от которых зависит их быстродействие. Известны и широ­ко используются в интегральных схемах цифровых устройств три типа изоляции: изоляция обратносмещенным р-п переходом, полная диэлектрическая и комбинированная (часть структуры изолируется диэлектриком, другая — р-п переходом).

Полевые транзисторы реализуются в трех структурных типах. Наи­более широко распространенным типом является транзистор со струк­турой «металл-окисел полупроводник» (МОП-транзистор). МОП-транзистор имеет две структурные разновидности: со встроенным ка­налом и индуцированным каналом.

Особенностью полевых транзисторов данного типа и обоих струк­турных разновидностей является их самоизоляции от подложки и, следовательно, друг от друга при использовании в составе инте­гральных схем цифровых устройств. Это свойство позволяет тра­тить для размещения переключателей меньшую площадь поверхно­сти кристалла по сравнению с биполярным транзистором.

Второй тип полевого транзистора — полевой транзистор с упра­вляющим р-п переходом в структурном отношении занимает про­межуточное положение между биполярным транзистором и полевым МОП-транзистором. Данный тип полевого транзистора имеет две структурные разновидности. Он может быть выполнен с горизон­тальным или вертикальным встроенными каналами.

Дата добавления: 2014-12-10