Схемотехника интегральных инжекционных схем (И2Л) — частный случай переходной схемотехники (N = 4)

Инжекционный инвертор. Алгоритм синтеза

Биполярный инвертор с резистивной нагрузкой в цепи коллектора универсален, так как, реализуя логическую инверсию, он является основой для построения многих функционально полных биполярных базисов транзисторной схемотехники. Но у него есть существенные недостатки с точки зрения его реализации в нанотехнологии.

Биполярный инвертор является вентилем транзисторной схемотехники, где минимальными элементами (компонентами), на которые его можно разделить при синтезе, являются транзистор и резистор. При этом в интегральной переходной схемотехнике транзистор и резистор являются схемами (структурами), состоящими из более мелких частей — переходов между различными материалами.

В 1961 году в целях оптимизации структуры инвертора по количеству материальных областей был применен достаточно интересный алгоритм преобразования его схемы.

Рассмотрим этот алгоритм на примере последовательного соединения биполярных инверторов с резистивной нагрузкой в коллекторных цепях (рис. 6.20). Задержка в схеме значительная из-за постоянной времени, пропорциональной произведению CRy. Основной принцип в создании нового инвертора заключается в переподчинении компонентов. Очевидно, что в схеме, состоящей из двух старых инверторов (T_l9 Я_х) и (Т₂, R₂) существует новый инвертор (i?j, Г₂).

Это инвертор с открытым коллектором (нет нагрузки в выходной цепи) и с резистивной нагрузкой в базовой цепи транзистора.

Рис. 6.20. Последовательное соединение биполярных инверторов с резистивной нагрузкой в коллекторных цепях.

л-р-л-типа.

Чтобы уменьшить площадь и задержку вентиля, можно избавиться от резистора. В данном случае этой цели можно достичь, если внимательно рассмотреть режимы работы резистора Ry.

Режим 1. Если на вход 1 подать высокое напряжение (логическую единицу), транзистор Ту будет насыщен (на его выходе будет логический ноль), Т₂ — закрыт, а ток от цепи питания потечет через резистор Ry в насыщенный транзистор Ту:

Режим 2. Если на вход 1 подать низкий уровень напряжения (логический ноль), транзистор Т_х закроется, ток от источника питания потечет через резистор R_x в базу насыщенного транзистора Т₂:

В обоих режимах токи от источника питания приблизительно равны (во всяком случае, через резистор R_x всегда течет ток), и поэтому резистор /?! в новом инверторе (R_lt Т₂) можно заменить источником тока (рис. 6.21). В интегральной схемотехнике в качестве источника тока используют транзистор р-л-р-типа (рис. 6.22).

Рис. 6.21. Принципиальная схема инвертора (Я, Т₂) в транзисторной схемотехнике (режим 1).

Рис. 6.22. Принципиальная схема инвертора (Я, Т₂) в транзисторной схемотехнике (режим 2).

В новой принципиальной схеме нет компонента резистора, есть два транзистора:

• • Т_И — инжектирующий транзистор р-л-р-типа, заменивший источник тока (сопротивление R в схеме — внутреннее сопротивление источника тока, то есть интегральное сопротивление тела эмиттера транзистора р-л-р-типа Т_и к логическому элементу не относится и может быть вынесено за его пределы);
• • Т_л — логический транзистор, оставшийся от старого инвертора (Т₂).

Рис. 6.23. Синтез общей модели ИИ

Примечание. Стоит отметить, что схемы с открытым коллектором (рис. 107) работоспособны только при наличии нагрузки на выходе. В качестве нагрузки может выступать аналогичная схема, а в последнем ИИ в длинной последовательной цепочке в качестве нагрузки можно использовать резистор или МОП-транзистор.

На следующем этапе на основе полученной принципиальной схемы синтезируем общую модель интегральной структуры (рис. 6.23).

Представим компоненты принципиальной схемы в транзисторной схемотехнике (рис. 6.22) в виде моделей их интегральных структур и применим принцип функциональной интеграции.