Логические схемы на транзисторах

44

VI. Логические схемы на трансисторах

Доктор физико-математических наук М. Е. ЛЕВИНШТЕЙН, кандидат физико-математических наук Г. С. СИМИН

Получив представление об элементарных логических операциях (см. «Квант», 1986, № 1), мы можем теперь познакомиться с тем, как они реализуют с помощью схемы на трансисторах.

Простейшая логическая схема, осуществляющая операцию «ИЛИ», показана на рисунке 1. Схема содержит два биополярных трансистора типа «n—p—n».

Обозначение соответствует биополярному трансистору типа p—n—p; обозначение соответствует трансистору типа n—p—n.

Наклонная стрелка соответствует эмптетру, вертикальная черточка — базе, наклонная черточка без стрелки — коллектору.

Коллекторы общих трансисторов подсоединены параллельно к «плюсу» источника питания Е. Эмиттеры — к нагрузочному сопротивлению Rₙ. Если направление между базой и эмптетром трансистора равно нулю, то переход база — эмптетр закрыт, так через него не протекает. Поэтому нечеток и в цепи коллектор — эмптетр ( трансистор закрыт). Из рисунка 1 видно, что если сигнал на входах трансисторов отсутствует, то есть направление на входах Uₙ₁ и Uₙ₂ равно нулю, то она трансистора закрыт. Так I через нагрузочное сопротивление Rₙ не протекает, и сигнал на выходе Uₙ₁=IRₙ также равен нулю. Если хотя одно из направлений, подваемых на входы схемы, достаточно для отправления трансисторов T₁ и T₂, так в цепи резко возратает и выходное направление существенно увеличивается.

Кремниевые трансисторы обычно закрыты, если направление на переход база — эмптетр меньше 0,6 В. Поэтому в схеме данного типа уровень «логического нуля» обычно соответствует направлению U⁰, близкое к нулю, а «логический единица» — U¹≈0,8 В.

На рисунках 2 и 3 показаны схемы «И» и «НЕ» на биополярных трансисторах. Рассудяая так же, как при анализе схемы «ИЛИ», легко убедиться, что для схемы «И» выходное направление Uₙ₁>0 только в том случае, если трансистора T₁ и T₂ одновременно открыты, то есть на оба входа подано направление, соответствующей логической единице (Uₙ₁=U¹, Uₙ₂=U¹). В схеме «НЕ» Uₙ₁=U¹ при Uₙ₂=U⁰ и, наоборот, Uₙ₁=U⁰ при Uₙ₂=U¹.

Важным недостатком логических схем на основе биополярных трансисторов является то, что в одном из состояний схемы через выходное сопротивление Rₙ протекает большой ток. В ЭВМ, содержащих миллионы логических схем, это приводит к значительному потербению мощности, разогреву схем в процессе работы и снижения надежности ЭВМ. Этот недостаток исключает в логических схемах на основе комплементных*) полезных трансисторов — КМОП-схемы.

Пример КМОП-схемы представлен на рисунке 4.

*) «Комплементные» в переводе с английскогоозначает «дополнительное».

Рис. 1. Пример реализация схемы «ИЛИ» на двух биополярных трансисторах типа n—p—n.

Рис. 2. Пример realizация схемы «И».
Рис. 3. Пример realizация схемы «НЕ».

45

ВЫЖАЙЩЕМ БУДУЦЕМ ПОЯВЯТСЯ ЭВМ, ЛОЦИЧЕСКИЕ СХЕМЫ КОТРЫХ БУДУТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦЗАРЕНДА ГАЛЛИЯ (Ga As).
Эти схемы обладают значительно большим быстродействием.
На микрофотографии показана ВИС на основе аспендаллевых полевых трансисторов. Размер ВИС — 2,7×2,25 мм. Длина затвора трансисторов в ВИС~1 мкм.
Скорость переключения элементов логических ячеек ВИС — 150 пс. По быстродействию эта схема в четыре раза превозходит лучшую кремниеву ВИС аналогично назначению.

Прициплальная схема и условия обозначение современной логической микросхемы серии K187 на кремниевых биолярных п—р—п трансисторах.
Схема имеет 5 входов и 2 выхода. На одном из выходов (вывод 6) образуется напряжение логического суммы (операция «ИЛИ») сизалов $x_1$—$x_5$, поступающих на выходы 1—5, на другом выходе (вывод 7)—сизнал, сочетающий операция логического суммирования и инверсии (операция «ИЛИ»—«НЕ»).
Существование условий логического схемы по сравнению с простейшей ячейкой, показанной на рисунке 1, вызван необходимостью обеспечить высокое быстродействие, малую потребляемую мощность, незащищимость параметров схемы от kolejнией напряжения питания и количества подключаемых к ней других логических схем, требованием помехоустойчивости логических сигналов на выходе и т. д.
Время сравнительная микросхемы около $10^{-8}$ с, потребляемый ток ~10 мА.

Вертикальная линия обозначает канал трансистора. Отходящие от нее горизонтальные линии — исток (низняя) и сток (верхняя). Линия, идущая параллельно каналу рядом с ним, обозначает затвор. Вывод затвора изображается на одном уровне с выходом истока.

Использовемые в схеме МОП-траниторы $T_1$ и $T_2$ имеют структуру разного типа. Транитор $T_1$ нормально открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе проводимость его канала велика; транитор $T_2$ нормально закрыт, при нулевом напряжении на затворе ток по его каналу не течение. При достаточно большом положительном напряжении на затворе $U^1$ нормально открыт транитор $T_1$ запирается, а нормально закрыт $T_2$ — отпирается.

В показанной на рисунке 4 схеме при $U_{bx}=0$ $T_1$ открыт, а $T_2$ — закрыт, поэтому все напряжение источника питания падает на траниторе $T_2$; поскольку выходное напряжение сигмается с транитором $T_2$, $U_{bx}$ велико. При $U_{bx}=U^1$ $T_1$ закрывается, а $T_2$ — открывается, поэтому $U_{bx} \approx 0$. В общих состояниях протекающий в цепи ток равен нулю, так как один из траниторов находится в закрытом состоянии. Поэтому КМОП-схема потребляет энергию от источника только в момент переключения. На основе КМОП-схемы созданы микрокалькуляторы и микро-ЭВМ, имеющие рекордно низкое потребление мощности — доли микроватта. Такие микро-ЭВМ могут питаться от фотоэлемента, для работы которого достаточно света нейркой настолько лампы.