Функциональный набор ИС – серия ИС - выполнен на ключах с похожей микросхемотехникой, т.е. электрической схемой на кристалле и технологией изготовления. Например, ИС серии К155, в которой свыше сотни ЛЭ малой и средней интеграции относится к транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ). Во многом по сходной микросхемотехнике на биполярных транзисторах выполнены и множество других отечественных серий ТТЛ:
¾ серия К134 - с малым потреблением, но и с низким быстродействием;
¾ серия К130 – быстродействующая, но и с повышенным потреблением;
¾ серии К133 и К155 – так называемые стандартные, с неплохим быстродействием и с умеренным потреблением.
В этих сериях отличие схемотехники ключей в величине переключаемых токов, определяющих быстродействие. А это, главным образом, связано с номиналом резисторов, задающих режим работы.
Таким образом, принято объединять под термином логическая серия (логика) множество серий ИС, имеющих общее микросхемное решение базового элемента (логического ключа).
Исторически первым типом логики, реализованной в виде монолитных ИС (конец 50, начало 60 годов), была резисторно-транзисторная логика - РТЛ, базовый элемент которой показан на рис 2.18. Входная логика выполнена на резисторах R1-Rn. Совместно с базовыми резисторами реализуется входная логическая функция ИЛИ. Инвертор на транзисторе VT1 выполняет инверсию сигнала. Показанный на рис 3.1. элемент описывается функцией ИЛИ-НЕ, таблица состояния и логическое обозначение показаны на этом же рисунке.
Рис 3.1. Базовый элемент РТЛ
Отрицательный источник смещения -Есм обеспечивает надежное запирание транзистора и оптимальную помехозащищенность. В разных сериях варьировалось напряжение питания Еп от +3,5 В до 12 В. В последних модификациях пришли к значению, ставшим впоследствии стандартным Еп=+5 В. При этом выбиралось Есм =-1,5 В. Эта логика имела неудовлетворительную нагрузочную способность, значительную задержку импульса при выключении транзистора из за его глубокого насыщения, большой постоянной времени перезаряда паразитных емкостей через высокоомные резисторы. Наличие резисторов больших номиналов крайне не желательно в ИС, так как они занимают большую площадь на кристалле, рассеивают значительную мощность и имеют большой технологический разброс номиналов. Наличие двух источников питания усложняло эксплуатацию. Главное достоинство РТЛ – это была первая серия цифровых интегральных схем, выполненных по монолитной технологии. Было выпущено несколько отечественных серий РТЛ. Разработчики аппаратуры приобрели опыт работы с ИС. На смену пришла диодно-транзисторная логика ДТЛ, базовый элемент которой показан на рис 3.2. Входная логика ДТЛ реализована на диодах VD1-VDn. Источник базового смещения заменен двумя диодами VDсм1,2. Напряжение отпирания транзистора составляет U б порог= Uдсм1+Uдсм2+Uбэ = 0,7+0,7+0,7=2.1 В, что обеспечивает хорошую помехозащищенность. Быстродействие этой схемы относительно невысокое, определяется параметрами ключа VT1. Стандартное напряжение питания большинства серий Еп=+5 В. Для промышленной аппаратуры, станков с числовым программным управлением, работающих условиях высокого уровня помех, выпускалась высокопороговая ДТЛ с напряжением Еп=+15 В.
Рис 3.2. Базовый элемент ДТЛ
Входная логика выполняет логическую функцию И; совместно с инвертором общая логическая функция элемента И-НЕ.
Если хотя бы на одном входе будет низкий уровень Х=Е0, соответствующий входной диод будет прямо смещен. Напряжение в узле А равно UА=(Е0+0,7)В, что недостаточно для отрывания цепочки p-n переходов (VDсм1, VDсм2, Uбэ) Uоткр=0.7+0.7+0.7=2.1 В. Ток базы равен нулю, транзистор заперт и на выходе высокий уровень.
Если на все входы поданы высокие уровни Е1³Uоткр, входные диоды VD1-VDn оказываются обратно смещены. Входной ток, задаваемый резистором Rб Iб»Еп/Rб открывает диоды VDсм. При Iб³ Iбн, транзистор входит в режим насыщения. На выходе будет низкий уровень.
Замена высокоомных резисторов входной логики диодами улучшила ее технологичность, снизилась ее стоимость. Эта логика прожила долгую жизнь – около двух десятилетий. Сменилось несколько поколений этой логики, было выпущено большое количество серий. В дальнейшем простейший транзисторный ключ был заменен сложным инвертором. Это значительно повысило нагрузочную способность и быстродействие.
Все перечисленные выше логики непригодны для создания ИС высокой интеграции - БИС и СБИС; у них высокая потребляемая и рассеиваемая мощность, что создает проблему с теплоотводом от кристалла. Высокоомные резисторы занимают значительную площадь и не позволяют плотно упаковать элементы. Поэтому параллельно создавалась схемотехника ИС высокой интеграции.
Инжекционно-интегральная логика И2Л.
С этой логикой связывались большие перспективы. Дешевая, технологичная, великолепно приспособленная для производства схем высокой интеграции. По технологии И2Л было выпущено несколько микропроцессорных комплектов, ИС памяти. Базовый элемент (рис 3.3) состоит из транзисторного ключа VT1 и стабилизатора тока (инжектора) VT2 и входной логики VD1-VDn. Инжектор VT2 представляет собой схему с ОБ, выполненную на транзисторе p-n-p. Фиксированный ток Iстаб, формируемый стабилизатором тока, переключается либо в базу транзистора VT1, если на входе высокие уровни, либо через соответствующий диод входной логики, к которому приложено низкое напряжение. Входная логика выполнена на диодах Шоттки VD1-VDn, совместно с инвертором реализует функцию И-НЕ.
Рис 3.3. Базовый элемент И2Л
Транзисторный ключ VT1 включен с открытым коллектором. Нагрузкой ключа являются входы последующих ЛЭ.
Если на все входы подан высокий уровень, диоды обратно смещены. Ток Iстаб протекает через базу транзистора VT1, удерживая его в режиме насыщения; на выходе низкий уровень.
Если хотя бы на одном входе присутствует низкий уровень, напряжение на прямосмещенном переходе диода Шоттки составляет около 0.4 В меньше, чем 0,7 В перехода база-эмиттер VT1; ток Iстаб замыкается через соответствующий диод на землю не попадая в базу VT1. Транзистор VT1 заперт, что соответствует на выходе высокому уровню.
Напряжение питания Еп отличается от стандартного и составляет 1,0…1.2 В. Поэтому и логические уровни отличаются от стандартных. На входах и выходах кристалла БИС на инжекционной логике встроены преобразователи логических уровней для стыковки со стандартными ИС.
Достоинством этой логики является:
¾ высокая технологичность (ни одного резистора, одни p-n переходы), отлаженный технологический процесс, логические уровни совместимы с существующими ДТЛ, ТТЛ;
¾ малая потребляемая мощность;
¾ высокая степень интеграции;
¾ низкая стоимость.
Быстродействие определяется, главным образом, накоплением и рассасыванием носителей в базе. Никаких мер по повышению быстродействия не используется, тактовые частоты – десятки, сотни кГц, что по нынешним временам совершенно неудовлетворительно. Впоследствии эта логика была вытеснена более совершенной логикой на МДП-транзисторах.
