Нескольких триггеров

От изготовления отдельных (дискретных) полупроводниковых приборов на каждом кристалле перешли к изготовлению на одном кристалле нескольких транзисторов, а затем и простых ИМС. Рассмотрим некоторые установившиеся в микроэлектронике термины и определения, поскольку вопросы единой терминологии в этой новой области чрезвычайно важны.

диодными схемами является наличие в их схеме активного усили* тельного элемента, состоящего из одного или нескольких транзисторов Это исключает возможность затухания уровня сигнала в цепочке из нескольких последовательно соединенных элементов. Поэтому в данной главе рассматриваются только унифицированные

5. Почему параллельное включение нескольких транзисторов (и вообще, любых усилительных идентичных элементов) приводит к снижению собственных электрических шумов?

Горизонтальный транзистор р—п—р. В аналоговых ИМС часто возникает необходимость совместного использования транзисторов р—п—р и п—р—п. С этой целью вначале использовались паразитные транзисторы р—п—р, создаваемые структурой основного транзистора и подложкой. Однако у этих транзисторов р = 2 -т- 3 в связи с наличием у них толстой базы, и, кроме того, при использовании нескольких транзисторов на одной подложке возникает ограничение по их применению, связанное с наличием общего коллектора-подложки. Поэтому в настоящее время создают специальные структуры р —п—р транзисторов, технологично совместимые с транзисторами п—р—п. Структура такого транзистора показана на 2.13.

ным питанием идет по пути уменьшения площади, занимаемой элементом. Одним из вариантов конструкции является структура с инжектором, размещенным в глубине кристалла. На 2.22 изображена структура, в которой в качестве инжектора использована /?+-подложка. На подложке р+-типа создается тонкий эпитак-сиальный n-слой. Горизонтальный п+-слой под эмиттером уменьшает сопротивление эмиттерной области, общей для нескольких транзисторов.

Логическая операция ИЛИ—НЕ осуществляется соединением нескольких коллекторов одноколлекторных транзисторов ( 4.15). Если цепь базы одного или нескольких транзисторов разомкнута (подана логическая «1»), то транзисторы находятся в режиме насыщения и потенциал коллектора соответствует логическому «О». Уровень логической «1» на выходе реализуется при низком напряжении на всех базах транзисторов.

Логическая операция И осуществляется без использования транзисторов, если входные сигналы поступают с их коллекторов. Наличие низкого напряжения хотя бы на одном из входов схемы создает низкий уровень его на выходе. Состояние логической «1» реализуется при соединении входов с выключенными транзисторами,?, е. когда на все входы подана «1». При поступлении сигналов от внешних схем реализация функции И достигается! применением нескольких транзисторов. Например, для двух входов схема строится на четырех одноколлекторных транзисторах ( 4.16).

Важную роль играют конструктивно-технологические параметры и характеристики ЛЭ: площадь, занимаемая ЛЭ на кристалле (при заданном минимальном топологическом размере), и количество основных технологических операций, используемых при изготовлении микросхемы. Площадь ЛЭ наряду с потребляемой мощностью определяет максимально достижимую степень интеграции, а количество основных технологических операций — процент выхода годных микросхем и их стоимость. Для уменьшения площади ЛЭ стремятся упростить их электрическую схему, уменьшить число используемых в ней транзисторов, диодов и резисторов. При проектировании топологии и структуры ЛЭ для снижения его площади уменьшают число карманов, размещая там, где это возможно, несколько транзисторов или резисторов в одном кармане. Используют поликремниевые пленочные резисторы, сформированные на поверхности кристалла над транзисторами. Применяю! совмещение областей транзисторов; в этом случае одна область кристал ла может использоваться для нескольких транзисторов, например как база одного и коллектор другого биполярного транзистора (см. § 7.5).

Рассмотренные примеры показывают, что ЛЭ на МДП-структурах проще, чем на биполярных, и содержат меньшее число транзисторов. Это обусловлено тем, что МДП-транзистор имеет бесконечное входное сопротивление и управляется напряжением, а не током. Дополнительные преимущества, проявляющиеся в других схемах, связаны с симметрией транзистора — он может пропускать ток в обоих направлениях и действовать как двунаправленный ключ (примеры такого применения даны в гл. 9). Эти достоинства вместе с отмеченными особенностями топологии (совмещение нескольких транзисторов, использование слоев поликремния в качестве соединений, отсутствие резисторов) и малой площадью транзисторов позволяют достигнуть высоких плотности элементов и степени интеграции. Для л-канальных микросхем степень интеграции на порядок выше, чем для биполярных при достаточно высоком быстродействии (/зд.сР —• 1...10 не).

Схема элемента НСТЛ рассчитывается таким образом, чтобы при подаче высокого потенциального уровня (соответствующего логической 1) на базу одного или нескольких транзисторов происходило насыщение транзистора и выходной потенциал понижался до низкого уровня Uxm, соответствующего логическому 0. Так как потенциал коллектора насыщенного транзистора (UK3a <0,1 В) значительно меньше напряжения отпирания [1/отт % 0,7 ч- 0,8 В), то подключенные к выходу последующие транзисторы сказываются в закрытом состоянии.

С дальнейшим развитием элементной базы произошел переход на интегральные микросхемы, которые могут выполнять функции устройства, состоящего из нескольких транзисторов, диодов, сопротивлений. В такой интегральной микросхеме соединения между ее элементами заключены в объеме полупроводника и не подвергаются вредным внешним воздействиям окружающей среды. Изготовление интегральной микросхемы на одном кристалле производится автоматически без прикосновения рук человека, что исключает вредные случайные воздействия и сокращает ручной труд. В результате резко возрастают надежность и быстродействие аппаратуры и уменьшаются габариты.

Регистр состоит из нескольких триггеров, число которых соответствует числу разрядов кода числа. Схема трехразрядного регистра, выполненного на синхронизированных ^5-триггерах, приведена на 149. Прием информации в триггеры регистра осуществляется в параллельном коде, т. е. одновременно по всем трем входам х\, х2, х3 при поступлении синхроимпульса СИ. Входы R всех разрядов регистра объединены и на них поступает сигнал (импульс) сброса («Установка в 0»). При подаче этого импульса все разряды регистра устанавливаются в исходное устойчивое состояние нуля и с выходов Qi — Q3 снимается низкий уровень напряжения (0), а с инверсных выходов Qi — Q3 — высокий уровень напряжения (1). Таким образом, прием информации на регистр осуществляется за два рабочих такта.

Охватывая делитель частоты, состоящий из нескольких триггеров, обратной связью, можно получить любой целочисленный коэффициент деления, не обязательно кратный двум. Например, на двух триггерах можно получить коэффициент деления, равный 3,4; на трех триггерах — 5, б, 7, 8 и т. д.

При соединении нескольких триггеров получаются счетчики с коэффициентами пересчета (модулем счета) Ксч; Кеч — число входных переключающих сигналов (импульсов), которые нужно подать на информационный вход счетчика, чтобы он вернулся в исходное состояние. Если Ксч — 2, где т>0 — целое число, то счетчик называется двоичным. Исходя из заданного значения Ксч определяется необходимое число триггеров т = [\og2KC4 ], где [X ] означает наименьшее целое число, большее величины X (или не меньшее, если X—целое).

Счетчик состоит из нескольких триггеров в соответствии с числом разрядов счетчика, соединенных между собой таким образом, что выполняется операция счета единичных входных сигналов.

Пересчетное устройство состоит из нескольких триггеров. Выходное напряжение каждого из них дифференцируется и через диодный клапан, пропускающий импульс только одной полярности, поступает на вход последующего триггера (на 5.4 сигнал соответствующей полярности заштрихован).

На 9.8, б представлена временная диаграмма распределителя, иллюстрирующая изложенное. Для построения распределителя использованы двухступенчатые D-триг-геры, переключающиеся по заднему фронту синхронизирующего импульса С, т. е. при переходе единицы в нуль (1/0). Применение одноступенчатых триггеров, изменяющих свое состояние в момент перехода нуля в единицу (0/1) и в течение всей длительности импульса С, недопустимо, так как в зависимости от продолжительности импульсов С возможно переключение нескольких триггеров в течение действия одного импульса. Возможно и использование триггеров с динамическим управлением, переключающихся только в момент перехода 0/1.

А к к у м у л я т о р, или н а к а п л и в а ю щ и и ре г и с т р. Если, например, нужно сложить в АЛУ два числа, то до начала операции одно число может находиться в аккумуляторе. Второе число (операнд) поступает из ОЗУ. После окончания операции ее результат (в нашем примере сумма от сложения) хранится в аккумуляторе, а затем передается в ОЗУ или в устройство ввода — вывода. Так как аккумулятор может хранить лишь одно слово, имеющее разрядность, с которой оперирует МП, то к нему иногда добавляют регистр связи, заполняющийся при переполнении аккумулятора. Регистр связи позволяет соединить старший и младший разряды аккумулятора, что необходимо для циклического сдвига информации вправо или влево в соответствии с программой. Он выполнен из нескольких триггеров, называемых флажками, и позволяет индицировать состояние аккумулятора: нулевое содержание, знак содержимого переноса информации и его переполнения.

При соединении нескольких триггеров получаются счетчики с коэффициентами пересчета (модулем счета) Ксч; Кеч — число входных переключающих сигналов (импульсов), которые нужно подать на информационный вход счетчика, чтобы он вернулся в исходное состояние. Если Ксч = 2, где т>0 — целое число, то счетчик называется двоичным. Исходя из заданного значения Ксч определяется необходимое число триггеров т= [log2^C4], где [X] означает наименьшее целое число, большее величины X (или не меньшее, если X—целое).

Основой любой из этих схем служит линейка из нескольких триггеров. Рассмотренные варианты счетчиков различаются схемой управления этими триггерами. Между триггерами добавляются логические связи, назначение которых — запретить прохождение в цикле счета лишним импульсам. К примеру, четырехтритгерный счетчик может делить исходную частоту на 16, так как 24=16. Получим минимальный выходной код 0000, а максимальный 1111. Чтобы построить счетчик-делитель на 10, трех триггеров недостаточно (10>23), поэтому десятичный счетчик содержит в своей основе четыре триггера, но имеет обратные связи, останавливающие счет при коде 9=1001.

Регистр — это линейка из нескольких триггеров, в которой в от-личие от счетчиков-делителей нет внутренних запрещающих обратных свчзей Регистры применяются для накопления и сдвига данных Регистры, снабженные внешними перемычками, можно использовать как делители частоты