Транзисторна логіка з безпосередніми зв'язками (ТЛНС) заснована на паралельному (або послідовному) з'єднанні транзисторних ключів і використанні загальної колекторної навантаження (рис. 3.4). Конструктивно транзистори Т 1, Т 2, T 3 об'єднані по колектору і підключені через резистор Rк до шини Ек. Вхідні сигнали подаються на бази транзисторів. Виходи підключені на входи таких же елементів. Схема розраховується так, щоб при подачі високої напруги (відповідної логічної 1) на базу одного або декількох транзисторів відбувалося насичення транзисторів і вихідний потенціал знижувався до низького рівня - залишкового потенціалу U 0 = Uост.
Мал. 3.4. Основна логічна схема ТЛНС
Вихідний потенціал відповідає логічному нулю, і все навантажувальні транзистори виявляються замкнутими. При подачі на входи транзисторів T 1, Т 2, Т 3нізкого потенціалу, відповідного логічного 0, все транзистори замикаються, потенціал їх колектора підвищується, прагнучи досягти рівня Ек. В цьому випадку наступні транзистори відмикаються, тому що потенціал вихідної напруги відповідає потенціалу бази насиченого транзистора. Цей потенціал також відповідає логічній 1. Таким чином, в позитивній логіці ТЛНС виконує операцію диз'юнкції, реалізуючи на виході функцію
Ця відповідає логічній схемі АБО - НЕ. Основною перевагою елемента ТЛНС є його простота. Принциповим недоліком є сильна залежність процесів від характеристик транзисторів. Це проявляється, перш за все, в зміні рівнів сигналів зі зміною числа входів і навантаження.
Базові струми колекторів розподіляються нерівномірно внаслідок розкиду параметрів транзисторів. Відбувається перехоплення струмів транзисторів. При цьому велика частина струму джерела Ек буде надходити в базу одного з транзисторів, а інші режиму насичення не досягнуть. Робота схем ТЛНС стає ненадійною.
Ненадійність роботи ТЛНС послужила причиною пошуку більш досконалих варіантів. З'явилася транзисторная логіка з резистивної зв'язком (ТЛРС і РТЛ). Принциповою відмінністю є включення в базові ланцюга транзисторів і резисторів з опором порядку 102 Ом (рис. 3.5). Наявність резисторів дозволяє вирівнювати вхідні струми в базові ланцюга. Опору резисторів RБi повинні бути великими для вирівнювання вхідних характеристик і одночасно досить малими, щоб не перешкоджати насиченню транзисторів внаслідок зменшення струму бази. Цим суперечливим вимогам задовольняє деякий оптимальне відношення RБ / Rк, при якому здатність навантаження стає максимальною.
Мал. 3.5. Логічна схема РТЛ
Слід зауважити також, що введення резисторів RБi зменшує швидкодію схеми внаслідок зростання тривалості фронту в ключі.
Схема реалізує функцію
Резисторно-ємнісна транзисторная логіка
Для ослаблення впливу опору на швидкодію елемента доцільно його шунтировать конденсатором невеликої ємності. Логіка, в якій реалізований цей принцип, отримала назву резистивної-ємнісний транзисторної логіки (РЕТЛ) (рис. 3.6).
Мал. 3.6. Логічна схема РЕТЛ
Конструктивно такий конденсатор отримують у вигляді обратносмещенного р-n-переходу. Під час перемикання конденсатор закорачивает високоомний резистор RБ, що призводить до утворення сплеску струму бази. Цей прийом забезпечує якнайшвидше відмикання і замикання транзисторів. Оптимальне значення становить при виконанні умови RБopt / Rк ³10, що вимагає створення високоомного резистора з великою площею. Такі схеми використовувалися на першому етапі розвитку мікроелектроніки. У підсумку вони виявилися безперспективними внаслідок великого числа резисторів і ємностей, які займали велику площу.
В результаті було запропоновано всі елементи, що формують струм в базу, замінити одним інжектором (рис. 3.7).
Мал. 3.7. Еволюція ТЛНС (а) в И2Л шляхом підключення генераторів струму в бази (б)
Інтегральна инжекционная логіка
В ході розвитку дискретної напівпровідникової електроніки виникла принципово нова раніше не відомий логіка - інтегральна инжекционная логіка (И2Л). В основі інтегральної инжекционной логіки лежать функціонально інтегровані транзисторні структури (рис. 3.8). Транзистор Т 1називают токозадающего. Він складається з інжектора І, який емітує носії заряду-дірки в еміттерную область многоколлекторних транзистора Т 3. Транзистор Т 1представляет собою p1-n1-р2 і розташований горизонтально. Многоколлекторних інвертується транзистор Т 3n2-р2-n1-типу розташований вертикально і має загальний емітер Е. емітерна область являє собою сильно леговане підставу підкладки. Емітерна область транзистора Т3 одночасно служить базою токозадающего транзистора Т 1.
Мал. 3.8. Конструкція (а) і схема (б) И2Л елемента логіки
Інвертор включається тоді, коли струм інжектора Т 1отбірается з бази многоколлекторних транзистора Т 3в іншу ланцюг, наприклад попередньої структури в схемі. Таке включення може бути забезпечено за рахунок відповідного зменшення вхідної напруги Uвx. Ця напруга одночасно керує зміщенням на емітерний перехід інвертора Т 3.
Елемент И2Л зазвичай реалізує функції АБО - НЕ. Функція І - НЕ може бути реалізована за умови використання колекторних виходів в якості незалежних входів І для подальших логічних елементів. Наявність многоколлекторних інвертора дозволяє здійснити логічну розв'язку без додаткових схемних елементів.
Логічні рівні і логічний перепад у схемі И2Л описуються як в ТЛНС і мають подібні характеристики. Оригінальність схемотехнічного рішення поєднується з оригінальністю технологічного рішення.
Інжектор реалізується у вигляді довгої р-смужки, виконаної на етапі базової дифузії. Базою р-n-р-транзистора є епітаксіальний n-шар, а колекторами - базові шари n-р-n-транзисторів. Розташування р-n-р-транзисторів щодо інжектора може бути як перпендикулярним, так і паралельним.
Перевагою И2Л є відсутність ізолюючих кишень і резисторів, що призводять до економії площі, зменшення напруги живлення, потужності і часу затримки. Мала ємність колектора, мале залишкову напругу на насичених транзисторах обумовлено низькоомним шаром n + -коллектора. Структури з інжекційних харчуванням досить універсальні. Вони можуть використовуватися для побудови арифметичних пристроїв, пристроїв пам'яті, логіки. И2Л-схеми добре узгоджуються з ТТЛ і ДТЛ-схемами.