Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Затвор МОП-транзистора называют изолированным, поскольку он отделен от истока и стока изолирующим материалом, имеющим очень большое сопротивление. Тем не менее, напряжение на затворе создает электрическое поле, которое увеличивает или уменьшает ток, текущий от истока к стоку. Этот «полевой эффект» дал названиетранзнстору — «полевой транзистор». По этой причине, независимо от напряжения на затворе, никакой ток практически не течет от затвора к истоку или от затвора к стоку. Сопротивления между затвором и другими выводами очень велики, намного больше мегаома. Ток, протекающий по этим сопротивлениям, очень мал, обычно меньше одного микроампера(мкА, 1О е А), и называется током утечки (Уеа)тай« сиггелт).
Резистор, упрзвляемый непрякением с уменьшение Ч„ значение й„ уменьшв"сто" ется Рис. 3.9. Условное обозна- чение МОП-транзистора с каналом р-типа вь ЙтВОР стоя Примечание обычно Ч я 0 Ю Само условное обозначение МОП-транзистора напоминает нам, что между затвором и двумя другими выводами нет никакого соединения. Однако изображение МОП-транзистора наводит на мысль, что затвор имеет ем костную связь с истоком и стоком. В быстродействующих схемах мощность, расходуемая прн заряде и разряде этих емкостей при каждом изменении входного сигнала, составляет заметную долю потребляемой схемой мощности. 3.3.3. Базовая схема КМОП-инвертора Схемы КМОП-логики (СМОо!одне) образуклся в результате совместного использования до пол няющих друг тдоуга лМОП- и рМОП-транзисторов.
Самой простой КМОП-схемой является логический инвертор, для которого необходимо по одному транзистору каждого типа, соединенных как показано на рис. 3.10(а). Напряжение питания К обычно может быть в диапазоне2-6 В и наиболее часто выбирается равным 5.0 В для совместимости с ТТЛ-схемами. В идеальном случае поведение схемы КМОП-ннвертора можно описать всего лишь двумя строками таблицы, приведенной на рис. 3.10(Ь): ИМПЕДАНС И СОПРОТИВЛЕНИЕ Формально между терминами «импеданс» и «сопротивление» имеется раз- личие, но инженеры-электрики часто используют эти термины как равнознач- ные. Так же поступаем в этой книге и мы. З.З. КМОП-логика 117 Ь'оо=+50В (а (Ы Угн !2т (22 коцт 0.0 (Ц ок оп 50 (Н) 50 (Н) оп ол 00 (Ь) !м ~~«3 — опт !с! Рис.
3.10. КМОП-ннвертор (а) принципиальная схема; ()з) таблица, описывающая работу схемы ((. — низкий уровень, Н -высокий уровень, оп — открыт, ой— закрыт), (с) условное обозначение 1. г;, равно О О В. В этом случае нижний, и-канвльный транзистор Д1закрыт, так как у него напряжение К равно 0 В, а верхний, р-канальный транзистор Д2 аз открыт, так каку него напряжение )' имеет большое по величине отрицатель- м ное значение (-5.0 В). Поэтому сопротивление транзистора Д2, включенного между шиной питания ()'рр, + 5.0 В) и выходом ()' „), мало, и выходное напряжение равно 5.0 В. 2.
Ки равно 50 В. При этом транзистор Д1 открыт, поскольку у него напряжение б равно +5.0 В, а транзистор Д2 закрыт, так как у него )' равно О. Таким 3 м разом, транзистор Д1 представляет собой малое сопротивление между выходом схемы и землей, и выходное напряжение равно 0 В. Из сказанного ясно, как ведет себя логический инвертор: при напряжении О ваты на входе выходное напряжение равно 5 вольтам, и наоборот. Другой способ наглядного представления работы КМОП-схемы состоит в изображении транзисторов в виде ключей.
Как показано на рис. 3. ! 1(а), л-канальный (нижний) транзистор заменяется ключом с нормально разомкнутым контактом, ар-канальный (верхний) транзистор — нормально замкнутым ключом. При подаче на вход высокого напряжения состояние каждого из ключей изменяется на состояние, противоположное первоначальному, как показано на рис. 3.1 1(Ъ).
Модель с ключами позволяет нагляднее представить работу КМОП-инвертора. Как показано на рис. 3. ! 2, для р- и и-канальных транзисторов используются различные условные обозначения, чтобы отразить логику их работы. Когда к затвору и- канального транзистора (Д1) приложено напряжение высокого уровня, он нахолится в «открытом» состоянии и ток течет от стока к истоку; это кажется достаточно естественным.
Противоположная ситуация наблюдается в отношении р-канального транзистора (Д2). Он находится в «открытом» состоянии, когда к его затвору пРиложено напряжение низкого уровня; кружок на затворе указывает на инвертирование. 118 Глввв3. Цифровыеохемы (Ы =+аов (а) Утята = +5.0 В .т Утн=Н СЬ:-.-; ,'"т ' ыщ ). 6'ы "опт=в Уопт Н Рис. 3.12.
Логика работы КМОП-инвертора Уоо --+~.ОВ открыт при низком открыт при высоком напряжении рт ЧТО ЗАКЛЮЧЕНО В ОБОЗНАЧЕНИЯХ? Индекс нРО" в обозначении и Ур "относится к выводам стока МОП-транзисторов. Это может показаться странным, так как в КМОП-инверторе напряжение источника питания У фактически соединено с выводом ыслтокарМОП- транзистора. Однако логические КМОП-схемы ведут свое происхождение от логических лМОП-схем, где источник питания была соединен со стоком пМОП- транзистора через резистор нагрузки, и обозначение н ро "осталось.
Заметьте также, что в КМОП- и лМОП-схемах землю иногда обозначают как ")' Некоторые авторы и большинство производителей схем используют обозначение "У "для напряжения питания КМОП-схем, так как оно используется в ТТЛ-схемах, юторые исторически предшествовали КМОП-схемам. Имея в виду, что можно использовать оба обозначения, начиная с параграфа З,д мы будем применять обозначение ")' Рис. 3.11. Модель КМОП-инвертора с использованием ключей: (а) низкое вход- ное напряжение; (Ь) высокое входное напряжение ( — низкий уровень, Н— высокий уровень) З.З. КМОП-логика 119 З.3.4.
КМОП-схемы И-НЕИ ИЛИ-НЕ Используя лМОП- и рМОП-транзисторы можно создать схемы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Чтобы образовать вентиль с х-входами, необходимо яр-канальных и )г и-канальных транзисторов. На рис. 3.13 показана 2-входовая КМОП-схема И-НЕ. Если хотя бы на одном из входов сигнал имеет низкий уровень, то выход 2 через малое сопротивление «открытого» р-канального транзистора подключен к шине питания , а цепь на землю разорвана «закрытым» п-канальным транзистором.
Если на по' обоих входах присутствует сигнал высокого уровеня, то цепь в сторону шины питания 1' о разорвана и выход 2 через малое сопротивление подключен к земле. оо Рис. 3.14 иллюстрирует работу схемы И-НЕ на модели с ключами. На рнс. 3.! 5 приведена схема ИЛИ-НЕ в КМОП-исполнении. Если сигналы на обоих входах имеют низкий уровень, то выход Е через малые сопротивления «открытых» р-канальных транзисторов подключен к шине питания К, а цепь на землю разорвана «закрытыми» и-канальными транзисторами. Если сигнал на любом из входов принимает высокий уровень, то цепь в сторону шины питания К разорвана и выход 2 через малое сопротивление подключен к земле.
(е) уоо (О) А В Д! Дз ДЗ 24 2 оя оп оя оп Н оп оп оп о» Н 1 оп ол оя оп Н Н оп оя оп оя (с) А В зис. 3.13. Схема 2-входового КМОП-вентиля И-НЕ: (а) принципиальная схема: о) габлица, оп псы ваюшвя работу схемы (Š— низкий уровень, Н вЂ” высокий уро.е«ь, о(( — закрыт, оп — открыт);(с) условное обозначение , "СРАВНЕНИЕСХЕМИ-НЕиИЛИ-НЕ ~ КМОП-схемы И-НЕ и ИЛИ-НЕ ииеютразличныехарактеристики. При одной и той же плошали кремниевого кристалла, транзистор с каналом л типа имеет меньшее сопротивление в «открытом» состоянии, чем транзистор с каналом р-типа. Поэтому у последовательно включенных х транзисторов с л-каналом сопротивление в «открытом» состоянии меньше, чем у х транзисторов с р-каналом. В резул ьтате быстродействие схемы И-НЕ с к входами обычно выше и предпочтительнее, чем у х-»ходовой схемы ИЛИ-НЕ, и поэтому схемы И-НЕ предпочтительнее, 120 Глава 3.
Цифровыв схемы (а) гээ (Ь) Нв г=н к н о'-'-'+. к - н п -А+-' г=к г=н к=к о.(.-'— в=и д-'-.- -.-.- Рис. 3.14. Модель 2-входоаой КМОП-схемы И-НЕ на основе ключей: (а) сигналы на обоих входах имеют низкий уровень (Ц; (Ь) сигнал на одном входе имеет высокий уровень (Н); (с) сигналы на обоих входах имеют высокий уровень (а) топ (Ь) А В Дг 02 Дз 04 2 Н Н 1 Н Н (с) Рис.
3. 15. 2-входовая КМОП-схема ИЛИ-НЕ: (а) принципиальная схема; (Ь) таб- лица, описывающая работу схемы (Е- низкий уровень, Н вЂ” высокий уровень, о(( — закрыт, оп — открыт); (с) условное обозначение Число входов, которые может иметь вентиль в конкретном логическом семействе, называется коэффициентом обьедипепия по входу()ап-(п). КМОП-схемы с числом входов больше двух можно очевидным способом получить путем последовательно-параллельного расширения схем, представленных парис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
