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 R_K 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 I_{01 |}, 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.