Исследование возможностей и способов реализации современных троичных цифровых элементов (стр. 2 )

Различие по быстродействию транзисторов  p-n-p и n-p-n типа.

Большой разброс величин внутренних токов и резисторов у многих типов ИС.

Ответственно разобраться в технических и технологических проблемах такого рода может лишь специалист с опытом проектирования ИС. Участие такого специалиста на этапе, когда разработанный элемент проверен на "россыпном" макете, обязательно. Автор не является экспертом в этой области. Поэтому, скорее всего, приведенный список не отличается полнотой. Если бы вопрос исследовался специалистом-технологом, то он, с одной стороны, смог бы указать пути преодоления некоторых из указанных ограничений, а с другой, наверняка обнаружил бы новые.

Типы цифровых элементов

Для дальнейшего рассмотрения вопроса о троичной модификации двоичных цифровых элементов имеет смысл систематизировать многочисленные разновидности претендентов на модификацию. В качестве отличительного признака будем использовать для этого способы реализации дискретности: то, каким образом логическим значениям сопоставляются физические величины. Существующие двоичные элементы по этому признаку можно разделить на три типа.

У элементов первого типа логическим значениям сопоставляются дискретные уровни напряжения. Для них характерны два обусловленных дискретных значения выходного напряжения, низкоомные выходы и высокоомные входы. Величина входного тока может сильно различаться от элемента к элементу. К элементам первого типа относятся DTL, RTL, TTL, n‑MOS, p-MOS и CMOS.

В элементах второго типа логическим значениям сопоставлены токи. В токовых элементах обусловленными являются два дискретных значения выходного тока, выходы обладают большим внутренним сопротивлением, а входы низкоомные. Входное напряжение мало и может сильно различается от элемента к элементу. Представителем элементов второго типа являются ECL.

У элементов третьего типа входные и выходные напряжения, токи, протекающие через открытые транзисторы в составе элемента, а также величина запирающего или отпирающего напряжения на транзисторах, существенно различаются от элемента к элементу. Конечно, и в этом случае можно, в принципе, указать диапазоны напряжений или токов, соответствующих 0 или 1, однако более уместно обусловленным представлением дискретности считать состояние закрытости либо открытости транзисторов в составе элемента. Выделение таких элементов в отдельную группу вызвано тем, что они используются в интегральных схемах, где жесткий допуск на параметры деталей технологически не обеспечен. Более того, даже контроль этих параметров в самой ИС физически невозможен. Примером элементов этого типа являются I2L.

О выходных цепях троичных элементов первого и второго типов

Рассмотрим возможности и способы троичной модификации двоичных цифровых элементов первого и второго типов. Как и у любых цифровых элементов, дискретность электрических сигналов должна обеспечиваться как на входе элемента, так и на его выходе. На входе - за счет “ступенчатой” характеристики вход/выход, а на выходе - за счет способности выходной цепи поддерживать требуемое обусловленное значение электрического сигнала (напряжения либо тока), в каждом из дискретных состояний.  Соответственно в цифровом элементе, вообще говоря, можно выделить  две части - входную, где осуществляется селекция поступающих сигналов, и выходную, формирующую дискретные сигналы. Существуют исключения из этого правила, например, CMOS-логика, когда входная “ступенчатость” и выходная дискретность удачно реализуются сразу на паре CMOS-транзисторов.

В дальнейшем, в первую очередь, будет рассматриваться выходная цепь троичного элемента. Это обусловлено тем, что реализация “ступенчатой” входной характеристики представляется более простой задачей по сравнению с устройством трехуровневого выхода. За скобками (на первых порах) остается и выполнение троичных логических функций.

Анализ выходных цепей троичных элементов

Для выработки единого взгляда на троичные элементы, создаваемые на основе двоичных элементов названных выше типов, рассмотрим устройство их выходных цепей на функциональном уровне (в том смысле, что будем оперировать только функциями узлов, составляющих элемент, не задумываясь пока о том, как эти узлы реализовать из существующих деталей).

На Рис.1а, 1б, 1в изображены функциональные схемы выходных цепей троичных элементов - ВЦТЭ. Подобно своим двоичным прототипам в элементах первого типа используются электронные ключи - например, транзисторы в режиме насыщения. В элементах второго типа используются управляемые источники тока (УИТ) - например, транзисторы, работающие в активном режиме. Условное изображение ключей очевидно. УИТ условно показаны двумя пересекающимися кружками. Включение и выключение ключей и УИТ-ов осуществляет схема управления выходом (СУВ).

ВЦТЭ первого типа с ключами

Рис.1а

В ВЦТЭ первого типа (Рис 1а) при переключении из одного состояния в другое выходы должны отдавать ток, достаточный для быстрой перезарядки паразитных конденсаторов СП на входах. Перезарядка происходит через один из трех ключей. В отличие от “значащих”  ключей К1 и К-1, “нулевой” ключ К0 - двухполярный, поскольку токи перезарядки в этом случае могут иметь различное направление в зависимости от того из какого значения (1 или -1) происходит переключение в 0.

ВЦТЭ второго типа с УИТ-ами

Рис.1б

В ВЦТЭ второго типа (Рис 1б) при переключении из одного состояния в другое выходы не должны шунтировать входы, создавая препятствие для быстрого изменения токов в паразитных индуктивностях LП. В приведенной схеме этого не происходит, поскольку во всех дискретных состояниях выходное сопротивление высокое. Допустимы два варианта представления троичного 0 - как одновременным выключением обоих УИТ-ов, так и одновременным их включением (при условии равенства токов!). 

О сопоставимости троичных элементов разного типа

Отметим, что выходные цепи троичных элементов первого и второго типов не вполне сопоставимы друг с другом, как это, на первый взгляд, должно быть для функционально равнозначных схем, оперирующих соответственно с сигналами напряжения и с токовыми сигналами. Так, в схеме Рис.1а, нельзя обойтись без ключа К0, устанавливающего нулевое напряжение на выходе, в то время как в схеме Рис 1б “нулевого” УИТ нет. Причина этого в том, что реализованный на транзисторном ключе управляемый источник напряжения (УИН) на самом деле не во всех состояниях обладает малым внутренним сопротивлением, как это должно быть у источника напряжения. Во включенном состоянии это так, а в выключенном  - цепь просто размыкается и становится высокоомной. Поэтому для быстрой перезарядки паразитных конденсаторов при переходе в 0 приходиться использовать дополнительный ключ К0. В “токовом” же случае  это не так. УИТ-ы обладают требуемым от источника тока высоким внутренним сопротивлением в обоих состояниях: как во включенном, так и в  выключенном, и не шунтируют паразитную индуктивность.

Сопоставимость выходных цепей троичных у элементов первого и второго типов будет достигнута, если в качестве УИН-а применять не ключ, а схему, которая обладала бы низким внутренним сопротивлением в обоих состояниях. Кроме того, такие УИН-ы должны включаться не параллельно входу, как у элементов второго типа, а последовательно с ним, поскольку суммируются не токи, а напряжения. Функциональная схема выходной цепи элемента первого типа с “правильными” УИН-ами, условно изображаемыми в виде батарей, показана на Рис.1в.

ВЦТЭ первого типа с “правильными” УИН-ами

Рис.1в

Нулевое состояние достигается также либо одновременным выключением двух УИН-в, либо одновременным их включением (при равенстве напряжений!). Как сделать “правильный” УИН непонятно. Ведь во включенном состоянии это батарея с изолированными выводами, а в выключенном - закоротка. Автору настоящего отчета удалось придумать реализацию такого УИН-а, однако сложность последней делает ее непригодной для применения в ИС.

Выделение схемы управления выходом (СУВ)  в отдельный узел обусловлено более сложной (по сравнению с двоичными прототипами) дисциплиной манипулирования ключами, УИН-ами  или УИТ-ами. Заметим, что по существу в СУВ производится разделение троичного сигнала на его двузначные компоненты, которые управляют УИН-ами и УИТ-ами. (В схеме на Рис.1а троичный сигнал разделяется даже не на два, а на четыре двоичных!) Не свидетельствует ли это о том, что полный отказ от представления троичной переменной двухзначными компонентам не обоснован?

Реализация троичных элементов

Ранее было названо два подхода к реализации троичных цифровых элементов:

Троичная модификация известных двоичных элементов.

Усовершенствование “парного” троичного элемента.

На их основе и должна осуществляться реализация троичных элементов. Перед тем как перейти к обсуждению вопросов о реализации на основе конкретных технологии с использованием того или иного подхода отметим следующее: Высказывалось мнение, что двоичные элементы “представляют собой вырожденный вариант более совершенных  троичных элементов”. Если это действительно так, то последние можно превратить в двоичные урезанием - отбрасыванием узлов (или режимов), поддерживающих третье состояние.

Для урезания “чисто” троичных элементов следует:

У элемента первого типа, изображенного на Рис.1а, можно просто удалить К0. Можно также удалить К-1 , а К0  упростить, сделав его однополярным. В обоих случаях получится двоичный элемент первого типа. У элемента второго типа (Рис.1б) можно удалить нижний УИТ, либо не использовать режим, когда оба УИТ-а выключены. При этом двоичные 1 и 0 будут представлены соответственно током и отсутствием тока, либо токами разных направлений. Подобным же образом для элементов первого типа с “правильными” УИН-ами (Рис.1в) можно либо заменить левый УИН закороткой, либо запретить режим, когда оба УИН-а выключены.

В отношении “парных”  элементов возможность урезания не вызывает сомнений, поскольку они в принципе состоят из двоичных.