Интегралды-инжекционды логикалықжәне nмдп-интегралды сұлбалар

Интегралды-инжекционды логикалықжәне nМДП-интегралды сұлбалар.

Интегралды-инжекционды логикалық сұлбалар биполярлы ТТЛ және ЭСЛ ИС-терден резистордың жоқтығымен ерекшеленеді, бұл оларды БИС пен СБИС жасағанда ыңғайлы етеді. Кристалда үлкен аудан алатын резистордың жоқтығынан таралудың үлкен емес қуатымен және И-сұлбаның компоновкасының жоғары тығыздығымен түсіндіріледі.

Базалық И элементі (Сурет 1) ортақ біріккен аймағы бар p-n-n және n-p-n типті екі транзисторлардан тұратын физикалық орналасқан құрылым болып табылады. P-типті жартылай өткізгіш аймағы бір уақытта көлденең құрылымды p-n-p транзисторының коллекторы және тік құрылымды n-p-n транзисторының базасы болып қызмет етеді. p-n-p транзисторының база рөлін және n-p-n транзисторының эмиттері “жер” шинасына қосылған сол бір n-типті аймақ атқарады. p-n-p транзисторының инжектор делінетін эмиттерлік аймағы оң кернеулі қорек көзіне қосылады. n-p-n типті транзистор элементі – терістегіштің (Сурет 1) электрлік тәуелсіз шығыстары болатын бірнеше коллекторға ие. Жоғарыда көрсетілгендей p-n-p транзисторы -дің эмиттері оң қорек көзіне қосылады. Бұл кезде ішкі кедергісі қоректену көзінің кернеуі p-n-p транзистордың эмиттерлік өтуінің U ашылудың табалдырықтық кернеуінен асады және (1-1,5)В құрайды.

Сурет 1. элементінің электрлік сұлбасы.

Кернеудің өте аз логикалық түсуінің, аз сиымдылықтың (~1nФ) және элементінде заряд жиналудың болмауы арқасында сиганл таралудың бөгелуі ~(5-20)нс. Осылайша элементтер қажетінше жылдам және ауысудың өте аз жұмысына ие пДж (ТТЛ мен ЭСЛ элементтермен салыстырғанда).

Мұндай сұлбалар негізін санағыштар жиілік бөлгіштер, қосқыштар, дешифраторлар және т.б. құрайды. (және де ТТЛ мен ЭСЛ) сұлбал негізіндегі микророцессорлық БИС және СБИС-ң дамуымен жады мен арифметико-логикалық құрылғылардың түрлі сұлбалары жасалуда, соның ішінде триггерлер, регистрлер, мультиплексорлар, екілік сандар компараторы, шиналық қабылдаутаратқыштар және т.б.

nМДП- сұлбалар.

МДП транзисторларда (металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш) диэлектрик рөлін кремнидің қос окисі SiO атқарады, сондықтан бұл транзисторларды МОП аббревиатурасымен де (металл-окис-жартылай өткізгіш) белгілейді.

Сондықтан интегралды микросұлбаларда МОП-транзисторлар қолданыс тапты. Арнаның өткізу типіне қарай pМОП және nМОП деп бөледі. Олардың негізінде pМОП, nМОП және комплементарлы МОП (КМОП) интегралды сұлба элементтері жасалады. Бұл элементтер МОП(КМОП) интегралды сұлба элементтері жасалады. Бұл элементтер сұлбалары биполярлы ИС ТТП мен ЭСЛ-ге қарағанды констукивті қарапайым, технологиялырақ, жоғары бөгеуіл тұрақтылығына және аз тұтыну қуатына ие, және де жартылай өткізгіш криссталында өте аз орын алады.

Бірақ олардың жылдамдығы аз. МОП сұлбалар қректену кернеуінің кеңірек диапазонын жібереді. ТТЛ сұлбаларымен, мысалы 74ALSххх(КР1533) сериялы микросұлбалармен, nМОП сұлбалар жалпы жақсы түйіседі, сонда да олардың кірісіне жоғары деңгейлі логикалық сигнал беру қажет, ал жоғары емес шығыс тогы кезінен МОП ИС шығысына тек бір ТТЛ-кіріс жүктеуге болады.

Басқа параметрлері бірдей болған кезде pМОП транзисторға қарағанда жоғары жылдамдыққа ие nМОП транзисторының негізіндегі базалық логикалық элементтердің (ЛЭ) тұрғызылу принципі мен жұмысын қарасытырайық.

Сурет 1-де И-НЕ және ИЛИ-НЕ логикалық функциясын жүзеге асыратын кі кірісті ЛЭ-ң электрлік сұлбасы келтірілген.

Бұл сұлбада, ағындық қоректің оң кернеуін қолданушы, логикалық 1 сигналына жоғары деңгей, ал логикалық 0-ге төмен оң кернеу деңгейі сәйкес келеді. Екі сұлба да үш транзистордан тұрады, біреуі жүктеме рөлін, ал мен логикалық функциясы жүзеге асыратын ауыстырғыш транзистор болып табылады. И-НЕ функциясын жүзеге асыратын nМОП-транзисторы негізінде жасалған ЛЭ сұлбасында кілттік мен транзисторлары тізбектеліп қосылған. Сондықтан сұлба шығысында төмен деңгейлі кернеу болуы үшін мен транзисторларының қақпанына жоғары деңгейлі кернеу беру керек. Осылайша И-НЕ элементінің екі кірісінде де логикалық 1 сигналы болғанда оның шығысында логикалық сигнал болады.
Ауысқыш транзисторлардың максимал саны (m кірісі бойынша бірігу коэффициенті) 4-тен аспайды. И-НЕ сұлбаларындағы кіріс кілттік транзисторлар санын өсіру топологияны қиындатады, интеграл және бөгуіл тұрақтылық дәрежесін логикалық 0 кернеуінің деңгейін өсіру арқылы төмендетеді.

ИЛИ-НЕ сұлбасында (Сурет 1,б) мен транзисторлары параллель қосылған, сондықтан сұлбаның ең болмаса бір кірісіне логикалық 1 сигналын бергенде оның шығысында логикалық 0 сигнал қалыптасады.

Сурет nМОП-транзисторындағы ЛЭ И-НЕ (а) және ИЛИ-НЕ (б) электрлік сұлбалары.

Кіріс бойынша бірігу коэффициенті m 10-ға тең. Бұл ИЛИ-НЕ сұлбасында m саны кірістік транзисторлардың ағынкөз тізбегіндегі ағын тгының қосындысынан сұлба шығысына кернеу түсуі есебінен “1” деңгейінің төмендеуімен шектеледі. Себебі бұл ток өте аз, m салыстырмалы жоғары мәнге ие.

Жоғары кіріс кедергісінің және ағу тогының аз мәніне байланысты сандық ИС-ң МП-транзисторлары жоғары жүктемелік қабілетке ие (n=10-20).

МДП транзисторларындағы элементтер.

Комплементарлық МОП (КМОП)-құрылым түрлі өткізу типті МОП-транзисторлардан құралған терістегіш сұлбасы (Сурет 3,а) болып табылады. n-типті өткізгішті транзисторының жаймасы нөлдік потенциалға қосылған (жерге), p-типті транзистор жаймасы оң қорек көзіне қосылған, ал екі транзистордың қақпандары біріккен және сұлба шығысы болып табылады.

КМОП элементтері nМОП элементтерінен статикалық режимде аз тұтыну қуатымен, салыстырмалы жоғары жылдамдығымен, жоғары жүктемелік қабілетімен (n≥15-20) және логикалық 1 мен логикалық 0 сигналдарының деңгейінің өлкен түсуі есебінен жақсы бөгуіл тұрақтылығымен тиімді ерекшеленеді. Статикалық режимде қуат қорек кернеуінің шамасымен және жабық транзистордың өте аз тогымен анықталады. КМОП ИС тұтынатын қуат С жүктемесінің паразиттік сиымдылығын зарядтаудағы өтпелі процесс кезінде шығындалады.

Сондықтан сұлбаның ауысу жиілігі және С сиымдылығы сұлбаның динамикалық қуаты өседі және былай анықталады.
(1)
мұнда -ағындық қоректің кернеу көзі -жұмыс жиілігі.

Қарапайым екі жүрісті КМОП логикалық – тура H(high)-активті сигналдар режиміндегі жұмысын қарастырайық. Бұл КМОП ИС-тің ең кең қолданылатын сериялы жұмыс істейтін режимде кернеудің жоғары деңгейіне логикалық 1, ал төменгі деңгейіне – логикалық 0 сигналы сәйкес. Суретте 3-те И-НЕ жүзеге асыру үшін nМОП транзисторларының тізбекті қосылысы және pМОП транзисторларының параллель қосылысы қолданылатынын көруге болады. ИЛИ-НЕ функциясын жүзеге асыру үшін nМОП транзисторлар параллель қосылады, ал pМОП-транзисторлар тізбектеліп қосылады. Бұдан басқа nМОП пен pМОП транзисторларының әр жұбының қақпандары, КМОП құрысын жасаушы бір-бірімен қосылады және КМОП элементтерінің кіріс болады.

КМОП-ң И-НЕ элементінің А кірісіне логикалық 0 синалын берсе nМОП транзистор. жабылады, ал сонымен қақпан бойынша байланысқан pМОП транзистор ашылады. Нәтижесінде элемент шығысында (В кірісің мәніне тәуелсіз) логикалық 1 деңгейі қалыптасады.

а)

б)

в)

Сурет 4. КМОП элементтерінің сұлбалары: терістегіш (а), И-НЕ (б) және ИЛИ-НЕ (в)

КМОП элементтің минималды қорек кернеуі pМОП транзистордың табалдырықтық кернеуімен анықталады, себебі nМОП транзистордың кернеуінен үлкен. Бұл жағдайда жоғары бөгеуіл тұрақтылық және жақсы жылдамдық қамтамасыз етіледі.

1. 
   Интегралды-инжексиялы логикалық сұлба ТТЛ және ЭБЛ сұлбаларынан немен өзгешеленеді?
   
2. 
   Базалық ИИЛ элемент дегеніміз не?
   
3. 
   ИИЛ базалық элементі қандай функцияны оорындайды?
   
4. 
   МОП сұлбалардың ТТЛ және ЭБЛ сұлбалармен салыстырғандағы артықшылықтары?
   
5. 
   МОП сұлбалардың негізі кемшіліктері.