1.6. Сравнительная оценка базовых логических элементов

Важным этапом проектирования цифровой аппаратуры является выбор серий ИС, наиболее приемлемо удовлетворяющих требованиям по быстродействию, энергопотреблению, помехоустой­чивости, нагрузочной способности, стойкости к специальным воз­действиям, надежности и др. Учитывается и функциональный со­став серий.

Поскольку почти все перечисленные показатели любой ИС в составе конкретной серии определяются .параметрами базового ЛЭ, сравнительную оценку серий цифровых ИС обычно сводят к сравнительной оценке базовых ЛЭ.

В табл. 1.1 приведены соответствующие нынешнему уровню развития, производства ИС сопоставительные данные по некото­рым конструктивно - технологическим и электрическим параметрам ЛЭ, используемых в интегральных схемах высокой степени инте­грации в качестве базовых [3].

Т а б л и ц а 11.1 Типовые параметры базовых ЛЭ

Параметр	n-МОП	КМОП	ТТЛ	ЭСЛ	И2Л
Площадь, х 10-3, мм2	4-7	6-19	12-38	12-31	2-4
Количество этапов диффузии и легирования	3	4	4	4-5	3-4
Количество этапов маскирования	6	7	7	8-9	5-7
Средняя задержка распространения tзд.ср. нс	40-100	15-50	3-10	0,5-2	>3
Статическая потребляемая мощ­ность Pпот. ср , мВт	0,2-0,5	< 0,001	1-3	5-15	<0,2
Работа переключения, пДж	10-50	3	10	10	<1

Сопоставление табличных данных по совокупности параметров обнаруживает очевидные преимущества инжекционной логики. Эле­менты И²Л во много раз меньше элементов других структур, до­статочно технологичны и экономичны, имеют самую низкую рабо­ту переключения. Это обусловливает перспективность их примене­ния в БИС и СБИС.

Учитывая, что одним из основных ограничивающих на степень интеграции факторов выступает рассеивание потребляемой мощ­ности, весьма перспективны для СБИС также элементы КМОПТЛ. Структуры на однотипных МОП-транзисторах отличаются высо­кой плотностью упаковки. Поэтому им отдаётся предпочтение в полупроводниковых динамических запоминающих устройствах. Для построения быстродействующих БИС используются элементы ЭСЛ. Однако большая потребляемая мощность и низкая плотность упаковки не позволяют достичь высокой степени интеграции. Это же, хотя и в меньшей мере, касается использования элементов ТТЛ, В этой связи БИС на биполярных транзисторах часто делают секционными (на 2,4 разряда), позволяющими соединять их параллельно и тем самым наращивать структуру цифрового устройства до требуемой разрядности.

В потребительском плане о базовых ЛЭ и соответствующих ИС любой сложности можно отметить следующее.

Элементы ЭСЛ наиболее быстродействующие, способны переключаться с частотой 100 МГц и более. Однако они требуют спе­циальных мер защиты от помех но сигнальным цепям и шинам питания, применение согласованных линий связи, организацию эффективного теплоотвода от ИС, печатных плат, блоков и т. д. Рекомендуются для использования тогда, когда ИС других типов логики не обеспечивают необходимого быстродействия.

Элементы ТТЛ и ТТЛШ отличаются от всех других тем, что перекрывают широкий диапазон значений t_зд.ср. и P_{пот. ср.} состав­ляющих ту «золотую серединку», которая чаще всего требуется на практике. Они обладают приемлемой помехоустойчивостью и нагрузочной способностью. На их основе создано более десяти функционально полных взаимно-согласованных серий, образу­ющих своеобразный параметрический ряд по t_зд.ср. и P_{пот. ср.}. Микросхемы ТТЛ и ТТЛШ получили наибольшее распространение в цифровых устройствах широкого применения.

Из ЛЭ на однотипных МОП-транзисторах предпочтение отда­ется n-канальным. Они обладают хорошими показателями по всем параметрам, кроме задержки переключения. Существенно низкое быстродействие, особенно при наличии емкости нагрузки, сделало нецелесообразным создание на их основе ИС малой и средней степени интеграции.

Подобное объяснение монопольного использования в ИС толь­ко высокой степени интеграции имеет также инжекционная логи­ка - элементы И²Л отличаются крайне низкой помехоустойчи­во стъю.

Элементы КМОПТЛ на несколько порядков экономичнее эле­ментов всех других логик, обладают высокой помехоустойчивостью и прогрессирующим быстродействием, способны работать в широ­ком диапазоне питающих напряжений. Считаются одними из са­мых перспективных для создания ИС различной степени интегра­ции.

Таким образом, в настоящее время для ИС (малой и средней интеграции перспективны базовые ЛЭ ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и КМОПТЛ, для БИС и СБИС-И²Л, КМОПТЛ и, в ряде случаев, КМОПТЛ. В быстродействующих ИС повышенной интеграции используются модифицированные элементы ЭСЛ и ТТЛШ.

Успехи в развитии технологии, освоении новых полупроводни­ковых и других материалов, безусловно, будут способствовать улучшению качественных 'показателей ИС, возможны перераспре­деления ролей «лидеров» между базовыми ЛЭ, но в целом схемотехнические достоинства и недостатки их можно считать опреде­лившимися.