Исследование возможностей и способов реализации современных троичных цифровых элементов (стр. 4 )

Из проведенного рассмотрения видно, что троичная модификация двоичных ECL элементов может быть осуществлена довольно простым и естественным образом. Более того, просматривается возможность реализации пороговой логики, весьма ценная для создания троичных цифровых устройств. Отметим, однако, что “уши” двузначных компонент троичного разряда даже в этом успешном варианте заметно “торчат”. Не следует забывать и о том, что цена данной модификации - усложнение технологии, чтобы использовать комплементарные транзисторы. О том, насколько она велика, автор данного отчета судить не берется.

I2L элементы

Элементы I2L появились позднее элементов TTL и ECL и их устройство менее известно. Кроме того, имеющиеся в литературе описания оставляют желать лучшего. Поэтому  автор данного отчета решил, что читатель может быть не знаком с устройством I2L элементов и целесообразно кратко рассказать об этом. На Рис.6а показана линейка RTL элементов - предшественников I2L.

Линейка RTL элементов

Рис.6а

Элементы относятся к категории схем с непосредственными связями (коллектор транзистора предыдущего элемента непосредственно связан с базой транзистора следующего, логические функции реализуются объединением коллекторов). Открытые транзисторы всегда находятся в состоянии насыщения, а их переключение основывается на том, что напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора, приложенное к базе транзистора следующего элемента, хотя и положительно (для n-p-n транзисторов), но недостаточно для отпирания. Если же выходной транзистор заперт, напряжение на его коллекторе определяется напряжением база-эмиттер открытого транзистора следующего элемента. Оба этих напряжения составляют десятые доли вольта и входной перепад получается небольшим. Это обстоятельство, а также предельная простота устройства являются достоинством RTL элементов, хотя режим насыщения транзисторов не позволяет достигать высокой скорости. Кроме того, благодаря использованию резисторов, RTL элементы затруднительно выполнить в виде ИС.

В I2L элементы являются примером преодоления последней трудности. Устройство I2L элементов основывается на удачно подобранной конфигурации по-разному легированных областей полупроводника, образующих, по существу, транзисторы p-n-p и n-p-n типа. Эти транзисторы жестко связанны друг с другом таким образом, что эмиттер n-p-n транзистора соединен с базой p-n-p, а коллектор p-n-p с базой n-p-n. Кроме того, в качестве баз p-n-p транзисторов и эмиттеров n-p-n используется подложка. По этой причине базы всех p-n-p и эмиттеры n-p-n транзисторов электрически не разделяются и имеют одинаковый потенциал. Тем не менее, на такой основе удается выполнить цифровые элементы, функционально эквивалентные RTL элементам и реализуемые в виде ИС.

На Рис.6б. показана линейка I2L элементов, аналогичная RTL линейке Рис.6а. Роль резисторов у RTL в I2L играют p-n-p транзисторы, которые всегда открыты, а в их объединенные эмиттеры поступает ток, являющийся частью задаваемого извне тока, суммарное значение которого определяется общим для всей ИС токозадающим резистором. Этот ток, если n-p-n транзистор, расположенный на рисунке под p-n-p транзистором, закрыт, задает ток, втекающий в базу n-p-n транзистора следующего элемента и открывающий его.  В противном случае (n-p-n транзистор открыт) ток втекает в землю, а n-p-n транзистор следующего элемента остается закрытым.

Линейка I2L элементов

Рис.6б

Помимо простоты, малого энергопотребления и относительно высокого быстродействия, достоинством I2L элементов является то, что в рамках одной полупроводниковой конфигурации можно создать структуру, где к коллектору одного p-n-p транзистора подключены базы нескольких n-p-n транзисторов. Другими словами, один I2L элемент может иметь несколько выходов (Рис.6в).

Многоколлекторный I2L элемент

Рис.6в

Рассматривая возможность троичной модификации I2L элементов нужно отметить следующее. Поскольку эмиттерные токи большого числа p-n-p транзисторов задаются одним общим резистором, а напряжение эмиттер-база этих транзисторов мало и имеет большой разброс, токи также будут сильно различаться. Допустим, что организация “зеркальной” I2L структуры осуществима, например, за счет использования в n-подложке карманов с проводимостью p-типа, как это делается у CMOS элементов. Неясно, однако, что с этим делать дальше. Непосредственное объединение входов/выходов элементов в “зеркальных”  структурах недопустимо, поскольку разнополярные сигналы будут шунтироваться коллекторными переходами, а значительный разброс токов делает невозможным получение пороговых входных характеристик и манипулирование с токами.

Троичные элементы на MOS транзисторах

Из всего многообразия цифровых элементов на полевых (MOS) транзисторах в качестве основы для троичной модификации естественно (как и в случае биполярных приборов) оставить лишь элементы на комплементарных (CMOS) транзисторах. Более того, это в особенности справедливо, поскольку двоичные CMOS элементы реально существуют и широко используются. Дополнительным доводом в пользу такого подхода служит еще и то, что в ассортименте CMOS схемотехники существуют коммутаторы разнополярных сигналов, которые должны подходить для использования в качестве “нулевых” ключей - обязательного компонента выходной цепи троичных цифровых элементов первого типа.

На Рис.7 изображена выходная цепь троичного CMOS элемента. От выходной цепи двоичного прототипа схема отличается наличием “нулевого” двухтранзисторного ключа КЛ0 - типового узла коммутаторов цифровых и аналоговых сигналов.

Выходная цепь троичного CMOS элемента

Рис.7

Как уже говорилось, троичный CMOS элемент относится к элементам первого типа и его выходная цепь функционально схожа с показанной на Рис.3б выходной цепью троичного цифрового TTL элемента. Требуемые для правильного функционирования схемы входные пороги в CMOS цепи можно реализовать не при помощи стабилитронов (как это сделано у TTL), а за счет использования нормально запертых и нормально отпертых MOS транзисторов  с напряжениями отсечки, подобранным соответствующим образом. Однако это связано с усложнением технологии и введением дополнительных этапов при изготовлении ИС. О желательности избегать таких решений, чтобы не снижать технологической конкурентоспособности троичных схем, говорилось ранее.

Токовые зеркала

Токовые зеркала (ТЗ), строго говоря, не являются цифровыми элементами, а схемотехническим приемом. Однако его применение может оказаться полезным при разработке цифровых устройств. В контексте данного исследования особое внимание к ТЗ объясняется тем, что использование токовых сигналов, как это следует из предшествующих разделов, привлекательно для создания троичных элементов. ТЗ реализуются как на биполярных транзисторах, так и на полевых. Их предназначение - реплицировать (повторять) сигналы и размножать сигналы, представляющие собой токовые импульсы либо токовые уровни (постоянные токи).

На Рис.8 показаны принципиальные схемы ТЗ на биполярных (Рис.8а) и полевых (Рис.8б) транзисторах. Рассмотрим принцип работы ТЗ на примере биполярных транзисторах.

Токовое зеркало на биполярных транзисторах

Рис.8а

Известно, что у транзисторов, работающих в линейном режиме, ток коллектора практически равен току эмиттера и мало зависит от напряжения коллектор-эмиттер. В большинстве случаев управление коллекторным током осуществляется током базы (в схеме с общим эмиттером) или эмиттера (в схеме с общей базой). Управлять коллекторным током, изменяя напряжение база-эмиттер, в принципе возможно, но, вследствие малости этого напряжения нужно уметь манипулировать им с точностью милли или даже микро вольт. ТЗ эта проблема решена следующим образом. В левом (управляющем) транзисторе на коллектор соединен с базой и к ним подается реплицируемый ток. Транзистор при этом оказывается в режиме, когда напряжение база-эмиттер в точности соответствует реплицируемому (коллекторному) току. Это напряжение является также и напряжением база-эмиттер правого транзистора. Если транзисторы идентичны, а ток базы существенно меньше тока коллектора (большое β), то в коллекторе правого транзистора в активном режиме будет протекать ток-реплика, равный реплицируемому току.

Схема и принцип действия ТЗ на MOS транзисторах (Рис.8б) аналогичны ТЗ на биполярных транзисторах (затвор соответствует базе, сток - коллектору, а исток - эмиттеру).

Токовое зеркало на MOS транзисторах

Рис.8б

Однако имеются два важных отличия. Во-первых, вследствие малости тока затвора MOS транзистора (по сравнению с током базы биполярного) отличия реплик от реплицируемого тока будет малым. Во-вторых, по этой же причине к управляющему транзистору можно в параллель подсоединять больше управляемых - т. е. повышать степень репликации. Полезной особенностью ТЗ на MOS транзисторах является и то, что изменением площади (линейных размеров прямоугольного затвора) можно пропорционально изменять крутизну характеристики MOS транзистора - т. е. значение тока стока, соответствующего одному и тому же напряжению затвор-исток. Примечательно, что в ряде известных практических реализациях цифровых устройств на ТЗ используются комплементарные MOS транзисторы. Более того, одно из них представляет собой 16-уровневую память. Однако объектами запоминания в этом устройстве являются токи одного направления.

Троичный элемент на токовых зеркалах

На основе ТЗ можно сделать УИТ для троичного цифрового элемента второго типа, выходная цепь которого показана на Рис.1б. Элемент на таких УИТ-ах представлен на Рис.9 слева. Справа приведена ампер-амперная характеристика вход/выход для него.

Троичный элемент на ТЗ и его характеристика