- •1. Базовые логические элементы цифровых интегральных схем
- •1.1. Классификация и основные параметры базовых логических элементов
- •1.2. Элементы транзисторно-транзисторной логики
- •1.3. Элементы эмиттерно-связанной логики
- •1.4. Элементы на моп-транзисторах
- •1.4.1. Элементы на однотипных моп-транзисторах (моптл)
- •1.4.2. Элементы на комплементарных моп-транзисторах (кмоптл)
- •1.5. Элементы интегральной инжекционной логики
- •1.6. Сравнительная оценка базовых логических элементов
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 tзд.ср. и Pпот. 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 tзд.ср. и Pпот. 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.
