Инжекционный динамический элемент Советский патент 1982 года по МПК H03K19/91 

(54) ИНЖЕКиИОННЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано дпя построения цифровых логических устройст Известен диналлческий элемент,/содержащий триггер с непосредственным коллекторно-базовыми связями на первом и втором биполярных транзисторах, базы которых через токозадающиё резисторы соединены с шиной питания, а коппекто(Ш являются выходами устройства. Эмиттер второго транзистора соединен с оШ(ей шиной, первый эмиттер первого уранзиотора соединен с шиной синхронизации и .с базой третьего транзистора, акшттеры которого соединены с остальными эмиттерами первого транзистора и подключены к входам. Коллекторы третьего и первого транзисторов соединены между собо i К недостаткам данного устройства следует отнести значительную работу переключения, свойственную всем схемам ТТЛ, большую плошадь, занимаемую уст ройством на кристалпэ, неойсодимость изолирования каждой транзисторной стру туры, что усложняет ft удорожает технологию. Наиболее близким по технической , сущности к изо ютению является динамический логический элемент, содержаший два многоколлекторных транзистора типа ц с перекрестными коялекторно-базовыми связями, базы которых подключены к коллекторам токозадакадего транзистора fH-n-p типа, база которого соединена с эмиттерами многоколлекторного транзистора, коллектором ключевого транзистора п -р- п типа и анодом фиксирукяцего диода, катод которого подключен к обцей шине, эмиттеру ключевого транзистора и катоду диода Шоттки, анод которого подключен к коллектору первого многоколлекторного транзистора, база 9ЛК чевого транзистора подключена к первой тактовое шине, базы инжектирующих транзисторов типа р-л-р Уюдключены к аноду иксирукяцего виода, а эмиттеры к второй тактовой шине, коллектор второго инжектирующего транзистора подклто3чен к входам устройства и эмиттеру перехватывакадего транзистора р-П-р типа, база которого подключена к аноду фиксирующего диода, а коллектор к базе первого многоколлекторного транзистора, эмиттер токозадаквдего транзистора подключен к базе ключевого транзистора, а не задействованные коллекторы многоколлекторных транзисторов подклюнены к выходам устройства 2 . Недостатком известного устройства является сложная система синхронизашга и плохая технологичность изготовления из-за необходимости изолирования каждой логической ячейки от ей подобной на кристалле. Целью изобретения является упрощени системы синхронизации и улучшение технологичности изготовления. Поставленная цель достигается тем, .что в устройство, содержащее бистабиль- ную ячейку на первом и втором многокол лекторных транзисторах типа п -р- И с перекрестными коллекторно-базовыми связями, базы которых соединены соответственно с Коллекторами инжектирующего Ьереинжектирующего транзисторов типа , базы которых соединены с эмиттерами многоколлекторных транзисторов, ключевой транзистор типа п-р-П, база ко торого соединена с управляющим входом, а эмиттер - с общей шиной, незадейство- ванные коллекторы многоколлекторных транзисторов подключены к выходам устройства, введен буферный транзистор типа п-р-П, база которого соединена с информационным Екодом, вторым коллектором первого мнргоколлекторного транзис тора и коллектором соответствующего инжектирующего транзистора, эмиттер подключен к общей шине, а коллектор к базе первого многокхшлекгорного транзис тора и первому коллектору ключевого транзистора, база которого подключена к коллектору соответствуюихего инжектирующего транзистора, а второй коллектор - к эмиттеру переинжектирукацего Транзистора и коллектору соответству1ощего инжектирующего устройства, базы инжектирующих и переинжектирующих транзисторов подключены к общей шине, а эмиттеры инжектирующих транзисторов - к щине питания, а также введены дополнительные инжектирующие и буферные транзисторы, причем коллекторы дополнительных инжектирукжцих транзисторов подкапочены к дополнительным информационным входам устройства, соответствующим незадействованным коллектора 1 первого многоколлекторного транзистора и базам соответствующих буферных транзисторов, коллекторы и эмиттеры Которых соединены соответственно с базой первого многоколлекторного транзистора и общей щиной, эмиттеры и базы дополнительных инжектирующих транзисторов подключены соотвейтвенно Е щине питания и общей щине. На фиг. 1 приведена принципиальная схема йредлагаемого устройства; на фиг. 2 - орин из вариантов топологии устройства; на фиг. 3 - принципиальная схема динамического элемента с расщиренными функциональными возможностями. Устройство содержит многоколлекторные транзисторы 1 и 2 типап-р-п, образующие триггер с непосредственными связями, ключевой транзистор 3 типа f1-p-n, буферный транзистор 4 типа П-р-П, переинжектирующий транзистор 5, типа рн;.р, эмиттер которого образован-р-областью б, инжектирующие транзисторы 710 типа р-п-р, 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-обпасть) 11, соединенный с шиной питания и пять р-областей (фиа 2) 1-6, которые совместно с инжектором и подложкой офазуют инжектирующие p-f)-p транзисторы 7-10, а р-обпасти 6 и 2 совместно с подложкой образуют переинжектирующий транзистор 5. Области кремния п -типа, введенные в р-области 1-4, совместно с подложкой П -типа и данными р -областями образуют вертикальные 11-р-П транзисторы под теми же номерами, причем П -области вьшолняют роль коллекторов, а подложка образует эмиттеры всех П-р- П транзисторов. Дополнительной изоляции между транзисторными структурами не требуется. Площадь, занимаемая устройством на кристалле, определяется площадью р-облаете и (в основном) , а фушопга, вьтолняеглые каждой областью, интегрированы (совмещены). В И Л за логический нуль (О) принимается напряжение на любом коллекторе, открытого транзистора. Если транзис59тор закрыт, то на его коллекторах логические единицы (1 ). Инжекционный динамический элемент (фиг. 1) работает следующим образом. Сигнал сигосронизашш (единичный импульс,, следующий с постоянной частотой повторения) подается на один из входов 13 управления. На остальные входы 13 управления пода1ртся (могут подаваться) сигналы с других узлов сйЬжной схемы, в которой данный элемент является составной частью (для организации логичес кой функции не только по информационным ia и по входам управления). Если же сиг налы управления (кроме синхроимпульсов не подаюггся (связи отсутствуют), то это равносильно подаче на базу ключевого транзистора логических 1, которы не влияют на работу ycTpoiteTBa. Таким образом, при наличии логических 1 на шине синхронизации (на всех входах управления логических 1)ток, инжектируемый инжектирующим транзистором 10 в базу, ключевого транзистора 3, смещает в прямом направлении база-эмиттерный переход последнего и приводит к его открыванию. Коллекторы открытого ключевого транзистора 3 перехватывают токи, инжектируемые инжектирующими транзисторами 8 к 9, там самым включая (закрывая оба многоколлекторные транзисторы 1 и 2 тригч гера, на прямых и инверсных выходах которого устанавливаются логические 1. Пусть хотя бы на одном из информй ционных входов 12 присутствует логиче 5 кий О, тогда ток, инжектируемый инжектирующим транзистором 7 отводится да ным входом из базы буферного транзистора 4, и, следовательно, последний закрыт. Если теперь произойдет переклкя1& ние сигнала на щине синхронизации на логический О, то это приведет к закрыванию ключевого транзистора 3. Токи, инжектируемые инжектирующими транзисторакга 8 и 9, устремятся к базам многоколлекторных транзисторов 1 н 2 триггера. Но поскольку на пути тока в базу второго многоколлекггорного транзистора 2 имеется задержка в виде переинжектирукяцего транзистора 5, первый многоколлекторный транзистор 1 имеет преимущества в открывании н, открывщись.своим коллектором удерживает .второй многоколлекторный транзистор 2 в закрытом состоянии. Второй коллектор первого многоколлекторного транзистора 1 шунтирует базу буферного транзистора 4 на о&цую щину, отсекая 1 тем самым информационные входы 12 . от устройства. Следовательно, на выходах 14 динамического элемента устанавЬ ливакугся логические О, а на выходах 15 - логические 1. Очередной импульс на щине синхронизации приведет к стираг нию информации в триггере аналогично. Если же в данный момент времени на рее информационные входы 12 поданы ггогические 1, то ток, инжектируемый (1нжектирукядим транзистором, 7, откры- ; рает буферный тиристор 4. При переклю4е НИИ сигнала на щнне синхронизации в Л(Ьгический О, закрывается ключевой транзистор 3 и своими коллекторами снимает блокировку токов питания триггера. ОднЕйсо ток коллектора 8 транзистора перехваты вается коллектором открытого бзп|юрного1 транзистора 4, и многоколлекторвый Tpateзистор 1 остается в закрытом состоянии. Ток, инжектируемый инжектирующим тра зистором 8 через переинжектирующий . транзистор 5 втекает в базу второго многоколлекторного транзистора 2 и открывает последний, который одним из своих коллекторов блокирует первый мно гоколлектторный транзистор 1 Таким образом, изменение сигналов на информационных входах 12, приводящие к закрыванню буферного транзистора 4, не могут изменить состояние триггера, на выходах 14 динамического элемента уста-, навливается логическая 1, а на выходах 15 - логический О. Предлагаемое устройство (фиг. 1) ре ализует динамический метод кодирования информации и логические функции И (на выходах 14) и И-НЕ (на выходах 16) в положительной логике. Дополнительные входы управления без затрат оборудования позволяют расширить функциональные возможности, т.е. устройство прио& ретает свойство длительного сохранения результата обработки при подаче хотя 6bi одно1х логического .О на управляющие входы 13, при всех логических 1 устройство становится логическим элеме1гтом и реагирует на входные информационные сигналы по сигналам синхронизации. Пре лагаемое устройство обладает физической и функхшональной полнотой. В сравнении с известным, имеет простую систему синхронизации (всего одна щина синхронизации, вместо двух в известном усг- ройстве, причем сигналы на щине синхронизации аналогичны сигналам в обработки, т.е. информационным). Кроме того, площадь, занимаемая устройством на врвстадде, сокращена примерно

на 15%, улучшена технологичность (не требуе1гся дополнительной изоляции ячеек, в тракте обработки), что повлечет 3ia со бой, во-первых, увеличение плотности, компановки, во-вторых, удешевление процесса изготовления за счет сокращения I операций- и,в-третьих, позволит повысить коэффициент выхода годных в процессе про- иаводсгва БИС на элементах данного типа.

Работа динамического элемента с рас- ширенными функциональными возможностями (фиг. 3 и 4) аналогична-. работе описанного устройства с той разницей, что в схему введены дополнительные вертикальные буферные транзисторы типа К) --р-Я в базовых цепях которых включены источники токов на дополнительных горизонтальных инжектирукщих, транзисторах типа р-л-р).

В базовой р-обпасти любого из допопнительных буферных транзисторов ньшолняется логическая функция.Путем объединения входов, и объединением- коллекторов дополнительных буферных транзисторо и их подключением к коллеютору буферного транзистора 4 можно собрать данные функции по ИЛИ. Для обеспечения работы введенных дополнтельных ключевых транзисторов и отключения информационных входов от схемы при логическом О на шине синхронизации введены связи баз каждого из данных транзисторов с одним из коллекторов первого многоколлекторного транзистора, триггера. Таким образом, динамический элемент с расширенньпли «Ьункциональными возможностями реализует логическую функцию И-ИЛИ/ /И-ИЛИ-НЕ.

Элементы динамического типа органически сонетают в себе столь разнохарактерные функции как хранение и логическая обработка и с одинаковым успехом могут быть использованы для сосздания как комбинационных так и последовательностных схем. Наличие синхронизации на каждой ступени (в каждом элементе) позволяет полностью избавиться от проблемы гонок при создании слсйкных устройств цифровой обработки информации, повысить помехозашишенност, упростить проектирование и отладку, а также повысить производительность обрабатывающих структур организацией конвейерного принципа обработки. Формула изобретения

транзисторах типа ц -р- п с перекрестными коллекторно-базовыми связями, базы которых соединены соответстветю с коллекторами инжектируквдего и переинжектируК)Щего транзисторов типа р -п- р, базы которых соединены с эмиттерами многоколлекторных транзисторов, ключевой транзистор типа И-р-п, база которого соединена с управляющим входом, а эмиттер с общей шиной, незадействованные коллекторы многоколлекторных транзисторов подключены к выходам устройства, отличающийся тем, что,- с целью упрощения системы синхронизации и улучшения технологичности изготовления, внего введен буферный-транзистор типа fl-p-n, база которого соединена с информационным входом, вторым коллектором первого многоколлекторного транзистора и коллектором соответствующего инжектирующего транзистора, эмиттер подключен к ойцей шине, а коллектор - к базе первого многчэколлекторного транзистора, и первому коллектору ключевого транзистора, база которого подключена к коллекгтору соответствующего инжектирукяцего устройства, а второй коллектор - к эмиттеру переинжектируюшего транзистора и коллектору соответствующего инжектирующего транзистора, базы инжектирующих и переинжектирующего транзисторов подключены к общей шине,а эмиттеры инжектирующих транзисторов- к шине питания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

№ 571909, кл. Н 03 К 19/О8, 1977.

(}

4

к

7

: /

X //

«

Фм.1