Инжекционный динамический элемент

 

Л. К. Самойлов, В, В. Гайворонская и В. В. Гайворонский ! (72) Авторы изобретения!

Таганрогский радиотехнический институт-им-; В... Д., Калмыкова (71) Заявитель (54) ИНЖЕКЦИОННЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для построения .цифровых логических устройств.

Известен динамический элемент,;содержащий триггер с непосредственным коллекторно-базовыми связями на первом и втором биполярных транзисторах, базы которых через токоэадакецие резисторы соединены с шиной питания, а коллекторы являются выходами устройства. Эмиттер второго транзистора соединен с обшей шиной, перВый эмиттер первого 1еранэис» тора соединен с шиной синхронизащпи и .с базой третьего транзистора, эмиттеры которого соединены с остальными эмиттерами первого транзистора и подключены к входам. Коллекторы третьего и первого транзисторов соединены между собой $1)

К недостаткам данного устройства следует отнести значительную работу zq переключения, свойственную всем схемам

TTJI, большую плошадь, занимаемую устpojlcTBoM на кристалле, необходимость изолирования каждой транзисторной струй2 туры, что усложняет.и удорожает технологию

Наиболее бпизким по технической сущности к изобретению является динами— ческий логический элемент, содержащий два многоколлекторных транзистора типа

11-р- я с перекрестными коллекторно-базовыми связями, базы которых подключены к коллекторам токозадакщего тран- зистора р-й-р типа, база которого соединена с эмиттерами многоколпекторного транзистора, коллектором ключевого транзистора q -р- П типа и анодом фиксируимцего диода, катод которого подключен к обшей шине, эмиттеру ключевого транзистора и катоду диода Шоттки, анод которого подключен к коллектору первого многоколлекториого транзистора, база ключевого транзистора подключена к пер- вой тактовой шине, базы ннжектируюших транзисторов типа р-11-р подключены к аноду фиксирующего диода, а эмнттеры к второй тактовой шине, коллектор второго инжектируюа его транзистора подклю983731

4О чен к входам устройства и эмиттеру перехватывающего транзистора р-ti-p типа, база которого подключена к аноду фиксирующего диода, а коллектор к базе первого многоколлекторного транзистора, эмиттер токозадающего транзистора подключен к базе ключевого транзистора, а незадействованные коллекторы многоколлекторных транэисгоров подключены к выходам устройства )2)

to

Недостатком извес гного устройства является сложная система синхронизации ..и плохая технологичность изготовления иэ-за необходимости изолирования каждой логической ячейки от ей подобной на кристалле.

Целью изобретения является упрощение системы синхронизации и улучшение технологичности изготовления.

Поставленная цель достигается тем, чго в устройство, содержащее бистабильную ячейку на первом и втором многоколлекторных транзисторах типа и -р- П с перекрестными коллекторно-базовыми связями, базы которых соединены соответ| ственно с коллекторами инжектируюшего и переинжектирующего транзисторов типа р- -р, базы которых соединены с эмиттерами многоколлекторных транзисторов, Ключевой транзистор типа П-р-П, база ко- ЗО торого соединена с управляющим входом, а эмигтер — с общей шиной, незадейство-, в анные коллекторы многоколлекторных гранзисторов подключены к выходам устройства, введен буферный транзистор ти- з5 па П p-tl, база которого соединена с информационным входом, вторым коллектором первого многоколлекторного транзистора и коллектором соответствующего инжектирующего транзисгора, эмиттер подключен к общей шине, а коллектор к базе первого многоколлекгорного транзистора и первому коллектору ключевого транзистора, база которого подключена к коллектору соответствуюшего инжекти- 45 рующего транзистора, а второй коллектор — к эмиттеру переинжектируняцего гранзистора и коллектору соотвегствующего инжектирующего устройства, базы инжектирующих и переинжектирующих 50 транзисторов подключены к общей шине, а эмиттеры инжектирующих транзистс ров — к шине питания, а также введены дополнительные инжектирующие и буферные транзисторы, причем коллекторы дополнительных инжекгирукщих транзисторов подключены к дополнительным информационным входам усгройства, соответI ствуюшим незадействованным коллекторам первого многоколлекторного транзистора и базам соответствующих буферных транзисторов, коллекгоры и эмитгеры которых соединены соответственно с базой первоFo многоколлекторного транзистора и ббщей щиной, эмиттеры и базы дополнительных инжектируюших транзисторов подктпочены соотвественно к шине питания и обшей шине.

На фщ. 1 приведена принципиальная схема йредлагаемого устройства; на фиг. 2 — один из вариантов топологии устройства; на фиг, 3 — принципиальная схема динамического элемента с расширенными функциональными возможностями.

Устройство содержит многоколлекторные транзисторы 1 и 2 типа П-p-g, образующие триггер с непосредственными

I связями, ключевой транзистор 3 типа

h-p-П, буферный транзистор 4 типа П-р-0, переинжектирующий транзистор 5, типа р-у,-р, эмиттер которого образован р-областью 6, инжектирующие транзисторы 710 типа р-П-p, эмиттеры которых соединены с шиной питания 11, информационные и управляющие входы 12 и 13, прямые и инверсные выходы устройства 14 и 15, группу 16 из пар дополнительных инжектирующих и ключевых транзисторов.

Выполнено устройство следующим образом. В полупроводниковую пластину кремния П -типа, являющуюся подложкой и соединенной с общей шиной, методами интегральной технологии введены инжектор (р-область) 11, соединенный с шиной питания и пять р-областей (фиг. 2) 1-6, которые совместно с инжектором и подложкой образукгг инжектируклцие р-П-p транзисторы 7-10, а р-области 6 и 2 совместно с подложкой образуют переинжектирующий транзистор 5. Области кремния П гипа, введенные в р -области

1-4, совместно с подложкой П -errrra и данными р -областями образуют вертикальные П-р-П транзисторы под теми же номерами, причем П -области выполняют

Ф роль коллекгоров, а подложка образует эмиттеры всех П-р- П транзисторов. Дополнительной изоляции между транзисторными структурами не требуется, Площадь, занимаемая устройством на кристалле, определяется площадью р-областей (в основном), а функции, выполняемые каждой обпастью, интегрированы (совмещены) .

B И Л эа логический нуль ("0") принимается напряжение на любом коллекторе, открытого транзистора. Если транзис31 d тем самым информационнйе входы 12, «I от устройства. Следовательно, на выходах 14 динамического элемента устанаь|. ливак гся логические О, а на выходах

15 — логические 1. Очередной импульс на шине синхронизации приведет к с гира-, нию информации в триггере аналогично.

Если же в данный момент времени на все информационные входы 12 поданы логические 1, то ток, инжектируемый нжектирукицим транзистором, 7, открырает буферный тиристор 4. При переключе;нии сигнала на шине синхронизации в ло гический О, закрывается ключевой транзистор 3 и своими коллекторами снимает блокировку токов питания триггера. Однако ток коллектора 8 транзистора перехваты вается коллектором открытого буферного; транзистора 4, и многокоплекторный трай-! зистор 1 остается в закрытом состоянии.

Ток, инжекгируемый инжектирукяцим тра зистором 8 через переинжектируквций . транзистор 5 втекает в базу второго многокоплекторного транзистора 2 и открывает последний, который одним иэ своих коллекторов блокирует первый мно«гокоппек горный гранзистор 1. Таким об разом, изменение сигналов на информационных входах 12, йриводящие к закры4 ванию буферного транзистора 4, не могут -изменить сос гояние триггера, на выходах 14 динамического элемента устанавливается логическая 1, а на выходах

15 — логический О.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) ре ализует динамический метод кодирования информации и логические функции И (на выходих 14) и И HE (на выходах 16) в положительной логике. Дополнительные входы управления без затрат оборудования позволяют расширжь функциональные возможности, т.е. устройство приобретает -свойство длительного сохранения результата обработки при подаче хотя бь1 одного логического .О на управляющие входы 13, при всех логических 1 ON» ство становится логическим элементом и реагирует на входные информационные сигналы по сигналам синхронизации. Предлагаемое устройство обладает физической и функциональной полнотой. В сравнении с известным, имеет простую систему синхронизации (всего одна шина синхронизации, вместо двух в известном устройстве, причем сигналы на шине синхронизации аналогичны сйгнапам в гракте обработки, т.е. информационным). Кро» ме того, плошадь, занимаемая устройся вом на ирис .млпе, сокращена примерно

5 9537 тор закрыт, то на его коллекторах— логические единицы ("1").

Инжекционный динамический элемент (фиг. 1) работает следующим образом.

Сигнал синхронизации (единичный импульс„, следующий с постоянной частотой повторения) подается на один из входов

13 управления. На остальные входы 13 управления подаются (могут подаваться) сигналы с других узлов сажной схемы, 10 в которой данный элемент является составной частью (для организации логической функции не только по информационным;

,а и по входам управления). Если же сигналы управления (кроме синхроимпульсов) И не подак гся (связи отсутствуют), то это равносильно подаче на базу ключевого транзистора логических "1, которйе не влияют на работу устройства, Таким образом, при наличии логичес- 20 ких "1" на шине синхронизации (на всех входах управления логических "1 "), ток, инжектируемый инжектирукяпим транзистором 10 в базу,ключевого транзистора 3, смещает в прямом направлении 2$ база-эмиттерный переход последнего и приводит к его открыванию. Коллекторы открытого ключевого транзистора 3 перехватывают токи, инжектируемые инжектируклцими транзисторами 8 и 9, З0 там самым включая (закрывая оба многоколлекторные транзисторы 1 и 2 триг гера, на прямых и инверсных выходах которого устанавливаются логические

1 . Пусть хотя бы на одном из информационных входов 12 присутствует логический О, тогда ток, инжектируемый инжек гирующим транзистором 7 отводится данным входом из базы буферного транзистора 4, и, следовательно, последний закрыт. Если теперь произойдет переключение сигнала на шине синхронизации на логический О., то это.приведет к закрыванию ключевого транзистора 3. Токи, инжектируемые инжектирующими транзисторами 8 и 9, устремятся к базам многоколлекторных транзисторов 1 и 2 триггера. Но поскольку на пути тока в базу второго многокоплекгорного транзисгора 2 имеется задержка в виде переинжектирукяцего транзистора 5, пер-вый миогоколлекторный транзистор 1 имеет преимушества в открывании и, открывшись, своим коллектором удеркивает .второй многоколлекторный транзистор

2 в закрытом состоянии. Второй коплек

И тор первого миогокоплекторного гранзистора 1 шунтирует базу буферного транзистора 4 на общую шину, отсекая

2. Элемент по п.1, о т л и ч а ю— ш и и с я гем, что, с целью расширения функциональных воэможностей, введены дополнительные инжектирующие и буферный транзисторы, причем коллекторы дополнительных инжектирующих транзисторов подключены к дополнительным информационным входам устройства, сооТветствуюшим незадействованным коллекторам первого многоколлекторного транзисгора и базам соответствующих буферных транзисторов, коллекторы и эмиттеры которых соединены соответственно с базой первого многоколлекторного транзистора и общей шиной, эмиттеры и базы дополни». тельных инжектирукецих транзисторов подипочены соответственно к шине питания и общей шине.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 571909, кл. Н 03 К 19/08, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 822370, кл. Н 03 К 19/20, 1079 (прото гип) .

7 98373 на 15%, улучшена технологичность (не гребуе"гся дополнительной изоляции ячеек в тракте обработки), что повлечет за собой, во-первых, увеличение плотности, компановки, во-вторых, удешевление про- 5 цесса изготовления за счет сокращения операций. и,в-третьих, позволит повысить коэффициент выхода годных в процессе производства БИС на элементах данного типа.

Работа динамического элемента с рас-,1 ширенными функциональными возможностями (фиг. 3 и 4) аналогична . работе описанного устройства с той разницей, гго в схему введены дополнительные вергикалькые буферные транзисторы типа и --р-q, 15 в базовых цепях которых включены источники токов на дополнительных горизонтальных инжектирукицих. транзисторах типа р-й-р).

В базовой р-области любого из допол- 2О нительных буферных транзисторов выполняется логическая функция. Путем объединения входов, и объединением. коллекторов дополнительных буферных транзисторов и их подключением к коллектору буферного транзистора 4 можно собрать данные функции по ИЛИ. Для обеспечения работы введенных дополнительных ключевых транзисторов и "отключения информационных входов от схемы при логическом 0 на . шине синхронизации введены связи баз . каждого из данных гранзисторов с одним из коллекторов первого многоколлекторного транзистора, триггера. Таким образом, динамический элемент с расширен- 35 ными цункциональными возможностями реализует логическую функцию И-ИЛИ/

/И -ИЛИ-НЕ.

Элементы динамического типа органически сочетают.в себе сголь разнохарак- to терные функции как хранение и логическая обработка и с одинаковым успехом могут быть использованы для создания как комбинационных так и последовательностных схем. Наличие синхронизации на каждой 45 сгупени (в каждом элементе) позволяет полностью избавиться от проблемы гонок" при создании сложных ус гройств цифровой обрабо гки информации, повысить помехозащищенность, упростить проекти- 50 рование и отладку, а также повысить производительность обрабатывающих с груктур организацией конвейерного принципа обработки.

Формула изобретения 55

1. Инжекционный динамический элемент, содержащий бистабяльную ячейку, на первом и втором многоколлекгорных транзисторах типа и -р- р с перекрести, ми коллекторно-базовыми связями, базы которых соединены соответственно с коллекторами инжектируюшего и переинжектирующего транзисторов типа О -п-., базы ко горых соединены с эмиттерами многоколлекторных транзисторов, ключевой транзистор типа й-p-п, база которого соединена с управляющим входом, а эмич тер с обшей шиной, незадействованные коллекторы многоколлекторных транзисторов подключены к выходам устройства, отличающийся тем, что; с целью упрощения системы синхронизации и улучшения технологичности изготовления, а него введен буферный транзистор типа A --p-й, база которого соединена с информационным входом, вторым коллектором первого многоколлекторного транзистора и коллектором соответствующего инжектирующего транзистора, эмиттер подключен к общей шине, а коллектор - к базе первого многоколлекторного транзистора, и первому коллектору ключевого транзистора, база которого подключена к коллек-. тору соответствующего инжектируюшего усгройства, а второй коллектор — к эмит геру переинжекгируюшего транзистора и коллектору соответству1ошего инжектирующего транзис гора, базы инжектирующих и переинжектирующего транзисторов подключены к общей шине,а эмиттеры инжекt тирующих транзисторов- к шине питания.

953731

Составитель А. Яков

Редактор P. вилика. Техред К.Мьщьо Корректор И. Муска

ЗМаэ 6293/81 Тираж 959 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раутская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4