Разработка функциональных узлов, выполняющих типовые для цифровых устройств микрооперации

Рис. 1.4. Поперечные сечения интегральных транзисторов:

На рис. 1.4, а показано поперечное сечение биполярного транзистора с p-n-изоляцией, на котором строились в 70-х годах, как аналоговые микросхемы, так и цифровые ЭСЛ. Такие транзисторы имели частоту единичного усиления f=1,5 ГГц. Плотность упаковки получалась: 10 элементов на кв. мм. Следует отметить, что первые серии ЭСЛ появились еще в середине 60-х годов. В связи с чрезмерно удельной рассеиваемой мощностью этих наносекундных микросхем, многие их варианты тогда имели: массивную гибридную конструкцию. В последующее двадцатилетие широкое распространение как прототипы получили последовательно сменявшие друг друга серии полупроводниковых ЭСЛ фирмы Motorola (например, MECL 100, MECL 1000, MECL 10000, MECL 2500). В ходе развития не только улучшались параметры, но и совершенствовалась схемотехника как собственно элемента, так и функциональных узлов, входящих в серии. Логический элемент серии MECL 10000 (иногда ее обозначают MECL 10К) соответствует схеме рис. 3.3, а.

Серия MECL 100000 (или, кратко: MECL100K) превосходит по быстродействию микросхемы перспективных серий ТТЛШ. На рис. 1.4, б доказан эскиз сечения биполярного транзистора, разработанного для этих субнаносекундных микросхем ЭСЛ. Здесь p-n-изоляция заменена диэлектрической Si02, поэтому транзисторы имеют f=4,5 ГГц, что обеспечивает время задержки=0,75 нс. За счет существенно, меньшей площади интегрального транзистора плотность упаковки повышается до 20 элементов на квадратный миллиметр поверхности, хотя число транзисторов в элементе ЭСЛ стало почти в два раз больше. На таких транзисторах строятся БИС ЭСЛ и матрицы памяти.

Серия MECL 100000 (или, кратко: MECL100K) превосходит по быстродействию микросхемы перспективных серий ТТЛШ. На рис. 1.4, б доказан эскиз сечения биполярного транзистора, разработанного для этих субнаносекундных микросхем ЭСЛ. Здесь p-n-изоляция заменена диэлектрической Si02, поэтому транзисторы имеют f=4,5 ГГц, что обеспечивает время задержки=0,75 нс. За счет существенно, меньшей площади интегрального транзистора плотность упаковки повышается до 20 элементов на квадратный миллиметр поверхности, хотя число транзисторов в элементе ЭСЛ стало почти в два раз больше. На таких транзисторах строятся БИС ЭСЛ и матрицы памяти.

Рис. 1.5. Схемотехника субманосекундной ЭСЛ: а - структурная схема логического элемента; б - схема переключателя тока ПТ, эмиттерного повторителя ЭП и источника опорного напряжения ИОН; в - переключательные характеристики по выходам Q и Q с инверсией

Логический элемент серии MECL 100K имеет диодную цепь термокомпенсации логических уровней, а также усовершенствованный источник опорных напряжений, делающий логические уровни независимыми от больших колебаний питающих напряжений, а также помех по цепи питания. На рис. 1.5, а показана функциональная схема элемента серии MECL 100K, которая содержит три части: переключатель тока ПТ и эмиттерный повторитель ЭП, а также источник опорного напряжения ИОН. Полная принципиальная схема этого элемента приведена на рис. 1.5, б. Эмиттерный повторитель VT4 можно нагрузить на резистор сопротивлением 50 Ом, подключив его вывод к потенциалу - 2В. Предельный ток нагрузки ЭП может достигать 55 мА. Отметим, что все измерения для ЭСЛ следует проводить при установившемся температурном режиме, причем плату с микросхемами следует обдувать (скорость потока 2,5 м/с). Номинальное напряжение питания для серии MECL 100К несколько уменьшено (-Uи.п. э=-4,5 В), однако логические уровни непосредственно совместимы с предыдущей логикой (см. рис. 3,5, в). Благодаря ИОН логические уровни не изменяются, если напряжение питания будет находиться в пределах -4,2 В<-Uи.п. э<-5,7 В. Статическая потребляемая мощность для субнаносекундного элемента Рпот= 40 мВт. Аналогичные параметры имеют микросхемы ЭСЛ серии К1500.

На рис. 1.6 показана диаграмма пределов переключательных характеристик ЭСЛ серий К500 и К1500. В табл. 1.1 даны цифровые значения соответствующих координат входных и выходных напряжений. На диаграмме, построенной для каждой серии, типовые характеристики расположены внутри заштрихованного контура. Следует учесть, что данные столбца для микросхем серии К1500 не зависят от температуры и питающих напряжений. Для микросхем серии К500 приведены значения при 25 °С. При температуре - 30 °С все напряжения возрастают на 5...10 %, а при температуре +85 °С снижаются на такую же величину.

Рис. 1.6. Диаграмма пределов переключательных характеристик элементов серии К1500

Таблица 1.1. Входные и выходные уровни для элементов ЭСЛ

Рис. 1.7. Схема для измерения (а) параметров выходных импульсов (б)

Скорость переключения микросхем ЭСЛ удобно проверять при двуполярном напряжении питания (аналогично схеме включения операционного усилителя). При таком включении элемента ЭСЛ (см. рис. 1.7, а) источник входных импульсов можно заземлить. На рис, 1.7,6 обозначены уровни входного и выходных импульсов, по которым следует отсчитывать время задержки распространения при включении и отключении элемента, если входной импульс имеет заданную длительность фронта и среза. При замерах необходимо использовать кабели и нагрузки с сопротивлением 50 Ом. Несогласованные проводники не должны быть длиннее, чем 2 мм. К выходу схемы (рис. 1.7, а) требуется подключать вход согласованной линии передачи. При эксплуатации микросхем ЭСЛ необходимо учитывать дополнительно три временных параметра: ts-время «выдержки», th-время хранения и tr-время сброса.

Рис. 1.8. Особые временные параметры ЭСЛ: а- время выдержки ts; б - время хранения th; в - время сброса tr

Для реализации ФУ нам потребуется счетчик, регистр. Ниже следует описание этих элементов ЭСЛ в серии К500.

Микросхемы К500ИЕ136 и К500ИЕ137 (рис. 1.9) - однотипные счетчики, отличающиеся выходными кодами: ИЕ136 считает в гексадецимальном коде, а ИЕ137 - в десятичном. Оба эти счетчика имеют универсальное назначение и могут при тактовых частотах свыше 100 МГц считать как на увеличение, так и на уменьшение выходных данных (реверс). Полная принципиальная схема микросхемы ИЕ136 показана на рис. 1.9, а, микросхемы ИЕ137 - на рис. 1.9,6. Их цоколевки одинаковы (см. рис. 1.9, в). Четыре режима работы этих счетчиков программируются по двум входам SI, S2 (см. табл. 1.2). Режим предварительной установки позволяет загрузить данные, присутствующие на входах DO-D3(см. также первую и восьмую строки табл. 1.3).

Таблица 1.2. Выбор режимов счетчиков К500ИЕ136 и ИЕ137

Счетчики меняют выходные состояния по положительному перепаду на тактовом входе С. В другие моменты (С=Н, см. пятую строку табл. 1.3) можно менять данные на входах D. После завершения счета на выходе окончания счета ТС устанавливается напряжение низкого уровня. Аналогично работает и счетчик К500ИЕ137 (см, табл. 1.4). Реверс счета получается при смене уровней напряжения на входах S1 и S2 (см. табл. 1.2) на противоположные.

Рис. 1.9. Счетчики серии К500: а - ИЕ136; б - ИЕ137; в - их цоколевка

Таблица 1.3. Состояния счетчика К500ИЕ136

Таблица 1.4. Состояния счетчика К500ИЕ137

При напряжениях высокого уровня на входах S1, S2 счет останавливается. Максимальная тактовая частота при счете, как на увеличение, так и на уменьшение составляет 125 МГц. Счетчики потребляют ток питания по 165 мА на корпус в каждом варианте. Наибольшее время задержки имеет цепь от входа С до выхода ТС. Наибольшее время «выдержки» ts=7,5 не требуется между сигналами на входах выбора S и тактовым С.

Микросхема К500ИР141 (рис. 1.10) -это регистр, который может работать в четырех режимах: остановка сдвига (хранение), сдвиг вправо, сдвиг влево, параллельный прием. Команда для выбора одного из режимов подается на входы выбора S1 и S2 согласно табл. 1.5. Сдвиг вправо и влево информации в триггерах получается после прихода положительного фронта тактового импульса tn+i на тактовый вход G (вывод 4). В табл. 1.5 данные Qn соответствуют предшествующему моменту tn. Регистр загружается параллельно по входам DO-D3, а по входам DL и DR последовательно для сдвига влево и вправо соответственно. Выходы QO-Q3 имеют нагрузочную способность 60 Ом. Если используется только один из выходов для последовательного вывода данных в нагрузку, остальные выходы следует оставить разомкнутыми.

Рис. 1.10. Регистр К500ИР141: а - схема; б – цоколевка

Таблица 1.5. Состояния регистра ИР141