Введение
Цифровая логика на двух BJT-транзисторах. Интегрированная инжекционная логика (IIL, I2L или I2L) – это класс цифровых схем, построенных на многоколлекторных биполярных транзисторах (BJT). При появлении она демонстрировала скорость, сопоставимую с TTL, и при этом потребляла мощность, почти как CMOS, что делало её идеальной для использования в интегральных схемах VLSI (и большего размера). Элементы этой логической семьи могут быть сделаны меньше, чем в CMOS, поскольку не требуются комплементарные транзисторы. Несмотря на то, что логические уровни напряжения очень близки (высокий: 0,7 В, низкий: 0,2 В), I2L обладает высокой помехоустойчивостью, поскольку работает по току, а не по напряжению. I2L была разработана в 1971 году Зигфридом К. Видманном и Хорстом Х. Бергером, которые первоначально называли её логикой объединенных транзисторов (MTL). Недостатком этой логической семьи является то, что элементы потребляют мощность в режиме ожидания, в отличие от CMOS.
Integrated injection logic (IIL, I2L, or I2L) is a class of digital circuits built with multiple collector bipolar junction transistors (BJT). When introduced it had speed comparable to TTL yet was almost as low power as CMOS, making it ideal for use in VLSI (and larger) integrated circuits. The gates can be made smaller with this logic family than with CMOS because complementary transistors are not needed. Although the logic voltage levels are very close (High: 0.7V, Low: 0.2V), I2L has high noise immunity because it operates by current instead of voltage. I2L was developed in 1971 by Siegfried K. Wiedmann and Horst H. Berger who originally called it merged transistor logic (MTL). A disadvantage of this logic family is that the gates draw power when not switching unlike with CMOS.
Строительство
Вход в I2L инверторный шлюз реализован на транзисторе с общим базовым источником тока PNP и NPN-транзисторе с открытым коллектором, работающем по схеме с общим эмиттером (то есть они подключены к GND). На кристалле эти два транзистора объединяются. Небольшое напряжение (около 1 вольта) подается на эмиттер транзистора источника тока для управления током, поступающим на транзистор инвертора. Транзисторы используются в качестве источников тока в интегральных схемах, поскольку они значительно меньше резисторов. Благодаря открытому коллектору инвертора можно выполнять логическую операцию "И" с проводным И, соединяя выходы двух или более шлюзов вместе. Таким образом, веерное раскрытие выхода, используемого таким образом, равно единице. Однако дополнительные выходы можно получить, добавив больше коллекторов к транзистору инвертора. Шлюзы могут быть реализованы очень просто, используя всего один слой металлизации. В дискретной реализации схемы I2L биполярные NPN-транзисторы с несколькими коллекторами могут быть заменены несколькими дискретными 3-выводными NPN-транзисторами, соединенными параллельно, с общим базовым и эмиттерным выводом. Транзистор источника тока может быть заменен резистором, подключенным от положительного питания к базе транзистора инвертора, поскольку дискретные резисторы меньше и дешевле дискретных транзисторов. Аналогично, объединенный транзистор-инжектор тока PNP и NPN-транзистор инвертора могут быть реализованы как отдельные дискретные компоненты.
Операция
Сердцем схемы I2L является инвертор с открытым коллектором по схеме с общим эмиттером. Обычно инвертор состоит из NPN-транзистора с эмиттером, подключенным к земле, и базой, смещенной прямым током от источника тока. Вход подается на базу либо как поглотитель тока (низкий логический уровень), либо как высокое плавающее состояние (высокий логический уровень). Выход инвертора находится на коллекторе и также представляет собой либо поглотитель тока (низкий логический уровень), либо высокое плавающее состояние (высокий логический уровень). Как и в логике с прямой связью транзисторов, между выходом (коллектором) одного NPN-транзистора и входом (базой) следующего транзистора нет резистора. Чтобы понять принцип работы инвертора, необходимо понимать направление тока. Если ток смещения отводится в землю (низкий логический уровень), транзистор закрывается, и коллектор переходит в плавающее состояние (высокий логический уровень). Если ток смещения не отводится в землю, потому что вход находится в высоком плавающем состоянии (высокий логический уровень), ток смещения протекает через транзистор к эмиттеру, открывая транзистор и позволяя коллектору поглощать ток (низкий логический уровень). Поскольку выход инвертора может поглощать ток, но не может выдавать ток, безопасно соединять выходы нескольких инверторов вместе для формирования логического элемента И по проводам. При соединении выходов двух инверторов получается двухвходовый элемент NOR, поскольку конфигурация (НЕ A) И (НЕ B) эквивалентна НЕ (A ИЛИ B) (согласно теореме Де Моргана). Наконец, выход элемента NOR инвертируется инвертором IIL в правом верхнем углу схемы, в результате чего получается двухвходовый элемент ИЛИ. Благодаря внутренней паразитной емкости транзисторов, более высокие токи, поступающие на базу транзистора инвертора, обеспечивают более высокую скорость переключения. Кроме того, поскольку разность напряжений между высоким и низким логическим уровнями для I2L меньше, чем для других биполярных логических семейств (около 0,5 вольт вместо 3,3 или 5 вольт), потери при зарядке и разрядке паразитных емкостей минимизированы.
Использование
I2L относительно просто реализовать на интегральной схеме и широко использовалась до появления КМОП-логики такими компаниями, как Motorola (ныне NXP Semiconductors) и Texas Instruments. В 1975 году Sinclair Radionics представила одни из первых цифровых часов для потребительского рынка, Black Watch, в которых использовалась технология I2L. В 1976 году Texas Instruments представила процессор SBP0400, также основанный на технологии I2L. В конце 1970-х годов RCA использовала I²L в своей интегральной схеме CA3162 ADC – трехразрядном измерителе. В 1979 году HP представила прибор для измерения частоты, основанный на специализированном чипе LSI собственной разработки, использующем интегрированную инжекционную логику (I2L) для низкого энергопотребления и высокой плотности, что обеспечивало работу от портативного источника питания, а также некоторые схемы логики на основе эмиттерных функций (EFL) там, где требовалась высокая скорость, в моделях HP 5315A/B.