МИКРОСХЕМЫ ТТЛ С ТРАНЗИСТОРАМИ ШОТТКИ

5.1 Введение

Известны два основных способа повышения быстродействия микросхем ТТЛ:

– уменьшение сопротивления резисторов и паразитных емкостей;

– использование ненасыщенных режимов работы транзисторов за счет использования нелинейной отрицательной обратной связи.

В первом случае быстродействие возрастает за счет уменьшения постоянных времени t = RС заряда и разряда емкостей, сокращения времени переходных процессов при форсированных режимах работы транзисторов. Этот путь повышения быстродействия реализован в сериях К130, К131, в составе которых имеются триггеры с частотой переключения до 30 МГц. Микросхемы этих серий являются неперспективными и не рекомендуются для применения в новых разработках. Их заменили серии К530, КР531 с диодами Шоттки.

Второй путь, базирующийся на устранении избыточного заряда неосновных носителей в области базы, наиболее перспективный, особенно при применении транзисторов с диодами Шоттки.

На рисунке 5.1, а приведена схема насыщенного транзисторного ключа и напряжений на транзисторе: U_бэ = + 0,8, U_кэ » 0,1 В и U_бк = 0,7 В (переход база – коллектор смещен в прямом направлении). Величина избыточного заряда, накопленного в базе, определится соотношением управляющего базового тока I_б и коллекторного тока насыщения I_кн , который задается сопротивлением резистора R_k :

I_кн = U_п / R_k.

Минимальное значение базового тока I_бн, при котором транзистор начинает входить в насыщение, равно

I_бн = I_кн / b,

где b − коэффициент передачи базового тока в коллекторную цепь.

Реальное значение базового тока I_б в S раз (S – степень насыщения) превышает I_бн:

I_б = (U_п – 0,8) / R_б = S I_бн .

Следовательно, избыточный базовый ток DI_б будет равен

D I_б = I_б – I_бн = (S – 1) I_бн.

Значение D I_б определит величину избыточного заряда накопленного в базе. При выключении транзистора задержка появления положительного фронта коллекторного напряжения будет определяться временем рассасывания избыточного заряда.

5.2 Транзисторы с диодами Шоттки

Единственным способом устранения насыщения является использование нелинейной отрицательной обратной связи (рисунок 5.1, б). Между базой и коллектором транзистора включается диод (плюсом к базе), имеющий напряжение отпирания 0,2-0,4 В. При величине базового тока I_б = I_бн напряжение на коллекторе становится меньше напряжения на базе и диод VD отпирается. Теперь избыточный ток D I_б течет через диод VD в коллекторную цепь транзистора и накопление избыточного заряда в базе транзистора не происходит.

Особые требования предъявляются к диоду VD – это не должен быть обычный р-п-переход, в котором перенос заряда осуществляется неосновными носителями и при выключении происходит задержка, обусловленная рассасыванием накопленного заряда. Накопление неосновных носителей не происходит на выпрямляющих контактах металл-полупроводник, известных как переходы (диоды) Шоттки. Перенос тока в них обусловлен переходом (эмиссией) основных носителей из полупроводника в металл. Благодаря этому время их выключения мало (до 100 пс) по сравнению с временем переключения р-п переходов (1-100 нс) и не зависит от температуры. Напряжение отпирания диодов Шоттки 0,2-0,4 В и может изменяться подбором металла, образующего контакт с полупроводником. В 70 – 80 г. технологи изящно решили важную для интегральной схемотехники задачу.

а − распределение напряжений в насыщенном ключе; б − транзисторный ненасыщенный ключ с диодом Шоттки в цепи отрицательной обратной связи; в − условное изображение транзисторного ключа на транзисторе Шоттки

Рисунок 5.1 – Разновидности транзисторных ключей

Металлический слой интегрального транзистора, служащий для омического контакта с базой, был продлен в сторону коллектора, образовав с n-областью коллектора переход Шоттки. Таким образом, без введения дополнительных технологических операций переход база-коллектор оказался зашунтированным диодом Шоттки (рисунок 5.1, в).В настоящее время широкое применение получили различные модификации микросхем ТТЛ с диодами Шоттки. В первую очередь можно отметить маломощные серии 533, 555 (функциональные аналоги SN54LS). Освоены быстродействующие серии: серия 1530 (аналог SN54AS), серии 1533, КР1533 (аналоги SN54ALS, SN74ALS). Наибольшим быстродействием обладает серия 1531, КР 1531, созданная на основе модернизированного процесса типа FAST (функциональные аналоги SN54F/SN74F).

5.3 Базовый логический элемент ИС К533

В качестве базового ЛЭ микросхем К533 (К533, КМ533, К555, КМ555) использован ЛЭ типа И-НЕ. Схема базового ЛЭ приведена на рисунке 5.2 и содержит три основных каскада: входной, реализующий функцию И, выполненный на диодах VD3, VD4 и резисторе R1; фазоразделительный, выполненный на транзисторе VT1; выходной усилитель, содержащий транзисторы VT2 и VT4, диод VD5 и резистор R6. Транзистор VT3 и резистор R4 обеспечивают температурную стабилизацию нулевого уровня выходного напряжения.

Рисунок 5.2 – Электрическая схема базового ЛЭ ИС

Отличительной особенностью ТТЛШ ИС является наличие в активных элементах схемы диодов Шоттки, которые шунтируют коллекторные переходы транзисторов. Диод Шоттки имеет более низкое прямое падение напряжения, чем кремниевый р-п-переход, и предохраняет транзистор от насыщения. Введение диодов Шоттки исключает накопление зарядов, увеличивающих время выключения транзистора, и способствует стабильности временных параметров транзистора в рабочем диапазоне температур. Подключение диодов Шоттки к входным контактам (антизвонных диодов VD1 и VD2) ограничивает отрицательные выбросы сигналов на входе схемы.

Входной каскад работает следующим образом. При одновременной подаче на входы микросхемы напряжения, соответствующего высокому уровню, ток резистора R1 потечет на базу транзистора VT1, так как входные диоды VD1, VD2 будут смещены в обратном направлении. Если хотя бы на один из входов подано напряжение низкого уровня, то ток резистора RI из схемы будет вытекать через входные диоды. Когда отсутствует ток в базе транзистора VTI, то включены (открыты) транзисторы VT2, VT4.

Нижнее плечо выходного каскада выполнено на транзисторе VT5. В том случае, когда на все входы схемы подан высокий уровень напряжения, транзисторы VTI и VT5 открыты и на выходе схемы устанавливается низкий уровень напряжения.

Резистор R6 верхнего плеча выходного каскада создает напряжение на базе транзистора VT4 и подключен к выходу ЛЭ с целью уменьшения потребляемой мощности при высоком уровне напряжения на выходе схемы. Диод VD5 позволяет уменьшить задержку включения схемы путем увеличения тока коллектора транзистора VTI в переходном режиме.

В микросхемах, выполненных на ТТЛ и ТТЛШ, переключения сопровождаются бросками тока в цепи питания, потребляемая мощность растет с частотой. В статическом режиме микросхемы ТТЛШ потребляют практически такую же мощность, как микросхемы ТТЛ. Однако при частоте переключения порядка 50 МГц рассеиваемая мощность удваивается, а при 100 МГц – утраивается.

5.4 Быстродействующие ТТЛШ ИС К530

Микросхемы типа 530, К530, КМ530, КМ531, КР531, 1531, КР1531 представляют собой комплект микросхем, предназначенный для работы в ЭВМ и устройствах автоматики с повышенными требованиями по производительности. Они выполнены по биполярной технологии с изоляцией р-п-переходов на основе ТТЛ с диодами Шоттки. Помехоустойчивость микросхем не менее 0,3 В, нагрузочная способность не менее 10 при нагрузке микросхем друг на друга, логические уровни напряжения не более 0,5 В (для формирователей не более 0,55 В) и не менее 2,4 В для высокого уровня (для ряда схем высокий уровень напряжения 2,5 и 2,7 В).

В качестве базового ЛЭ ИС 530 (К530, КМ530, КМ531, КР531) использован ЛЭ типа И-НЕ. Схема ЛЭ (рисунок 5.3) содержит три основных каскада маломощных ТТЛШ серий. Входной каскад выполнен на многоэмиттерном транзисторе VT1, фазоразделительный — на транзисторах VT2, VT3 и резисторах R2¸R4. Выходной каскад включает транзисторы VT4, VT5, VT6 и резистор R6. Микросхемы серии 530 позволяют при температуре 25 – 70⁰ С, сопротивлении нагрузки R_H = 280 0м и емкости нагрузки С_Н = 15 пФ получить типовое значение времени задержки распространения 5 нс на ЛЭ при средней мощности потребления 19 мВт.

Принцип работы микросхемы аналогичен принципу работы, описанному для ЛЭ ИС 533. Отличие состоит в использовании на входе многоэмиттерного транзистора, выполняющего функцию И, вместо входных диодов Шоттки. При одновременной подаче на все входы многоэмиттерного транзистора напряжения высокого уровня базовый ток транзистора VT1 потечет по цепи U_п-R1-Б1-К1 в базу транзистора VT2. Транзисторы VT2 и VT6 откроются, и на выходе схемы установится низкий уровень напряжения.

Если хотя бы на один из входов схемы подан низкий уровень напряжения, то транзисторы VT2, VT6 закрыты. Через резистор R2 течет базовый ток транзистора VТ4, и на выходе микросхемы устанавливается напряжение высокого уровня.

Включение в базу выходного транзистора VT6 корректирующей цепочки (VT3, R3, R4), как и в маломощных сериях, позволяет повысить помехозащищенность микросхемы в выключенном состоянии в результате улучшения передаточной характеристики. Использование каскада Дарлингтона на транзисторах VT4 и VT5 обеспечивает почти одинаковые значения выходного сопротивления микросхемы при ее включении и выключении, что позволяет получить симметричную задержку выходного сигнала. Высокое быстродействие схемы обеспечивается выбором номиналов резисторов, уменьшением топологических размеров диодов, транзисторов, толщины эпитаксиальных пленок и использованием диффузионных процессов с более мелкими диффузионными слоями. Базовый ЛЭ ИС 530 (К530, КМ530, КМ531, КР531) при потребляемой мощности 19 мВт имеет типовое время задержки 3 нс, что позволило повысить максимальную частоту работы триггеров серии до 125 МГц.

Рисунок 5.3 – Базовая схема ТТЛ-микросхем с диодами Шоттки элемент И-НЕ (ИС 530ЛА1, КР531ЛА1)

5.5 Базовый логический элемент ИС К1533

Базовый ЛЭ ИС 1533 (рисунок 5.4) содержит три основных каскада: входной, включающий транзисторы VT1, VT2, диоды VD3, VD4; фазоразделительный, выполненный на транзисторе VT4, и выходной усилитель на транзисторах VT5, VT6, VT8.

На входе использованы транзисторы VT1,VT2 p-n-p-типа и введены дополнительно транзистор VT3 и резистор R1. Такое схемотехническое решение позволило повысить помехоустойчивость схемы путем увеличения порога переключения, уменьшить входной ток и увеличить быстродействие путем использования р-п-р-транзистора, работающего в активном режиме. Повышению быстродействия способствует применение на входах диодов Шоттки с малой площадью и емкостью.

При низком напряжении на входах микросхемы на базе транзистора VT4 поддерживается низкое напряжение, которого недостаточно для его отпирания. Транзисторы VT4,VT7, VT8 закрыты и на выходе устанавливается уровень лог.1. Высокое напряжение на входах Х1, Х2 ИС открывает транзисторы VT4, VT7 и VT8.

Рисунок 5.4 – Электрическая схема базового ЛЭ

На выходе схемы устанавливается напряжение низкого уровня. С помощью использования составного выходного каскада на транзисторах VT5, VT6 в микросхеме достигается увеличение быстродействия из-за быстрого заряда емкостей на выходе схемы. Применение диодов и транзисторов Шоттки позволяет значительно уменьшить либо полностью исключить время рассасывания избыточного заряда в транзисторах схемы и повысить ее быстродействие. Логический элемент ИС К1533 при малой мощности потребления (1 мВт/ЛЭ) имеет достаточно высокое быстродействие (типовое время задержки 4 нс/ЛЭ). Улучшение параметров ИС К1533 по сравнению с ИС К533 достигнуто с помощью новых схемотехнических решений, уменьшения геометрических размеров транзисторов и диодов Шоттки, а также с помощью технологических способов, в том числе использования тонких эпитаксиальных пленок толщиной до 2 мкм. Серия ИС 1533 является функционально полной и содержит в своем составе счетчики, регистры, АЛУ, схемы сравнения, формирователи и т.д. Маломощные ИС 1533 нашли широкое применение в аппаратуре с жесткими требованиями по потребляемой мощности. Замена ИС К533 (К555) на ИС К1533 (КР1533) во вновь создаваемой аппаратуре позволяет вдвое улучшить энергетические характеристики аппаратуры и повысить ее быстродействие.

Наибольшим быстродействием среди схем ТТЛШ обладают микросхемы серий К1531, КР1531 (функциональные аналоги 54F/74F), созданные на основе модернизированного технологического процесса Isoplanaz II, позволяющего получать транзисторы с очень высокой хорошо управляемой скоростью переключения и малыми паразитными емкостями. Частота переключения у этих схем достигает 5 ГГц. Усовершенствованные ИС 1531 (КР1531) обеспечивают передачу данных с типовым временем задержки 2 нс /ЛЭ при средней мощности рассеяния на ЛЭ в 5 раз меньше, чем для ИС 530.

Применение р-п-диодов на входе микросхемы позволило снизить входной ток высокого уровня до 20 мкА при входном токе низкого уровня не более 0,6 мА.