Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Разумеется, это не меняет принципа действия схемы и основных соотношений, однако заземление положительной шины питания существенно уменьшает влияние проходящих по ней помех на величины уровней Уо и У1. 10.3. Логические элементы на МДП-транзисторах В настоящее время в логических схемах используются только МДП-транзисторы с окисным диэлектриком 8101. Поэтому ниже рассматриваются ИЛЭ на МОП-транзисторах. В основе МОП-транзисторной логики (МОПТЛ) лежат МОП-транзисторные ключи-ннверторы, рассмотренные в разделе 8.6. 'Г4! ! ! ! — -ае- б) а) Рнс. 10.10.
Логические злемеиты МОПТЛ на ключах одного типа проводимости с параллельным (а) и последовательным (б) включением логических транзисторов МОП-транзисторая логика на ключах одного типа проводимости. Как и в разделе 8.6, положим в основу транзисторы с индуцированным п-каналом (поскольку им свойственно положительное напряжение питания, более удобное при анализе). Анализ МОП-транзисторных ИЛЭ проще, чем биполярных, потому что входные (затворные) цепи практически не потребляют тока. Следовательно„при работе в цепочке отдельные 427 10.3. Логические алеиеитаг иа Мдц-траиаисторак ОЛЭ функционируют независимо друг от друга и каждый из них можно анализировать, отвлекаясь от влияния предыдущего и последующего ИЛЭ.
В частности, логические уровни Уо и У~ не зависят от нагрузки и остаются такими же, как и при холостом ходе. Влияние последующего (нагрузочного) ИЛЭ сводится лишь к увеличению выходной емкости данного ИЛЭ. На рис. 10,10 показаны два типовых варианта ИЛЭ, выполненных на МОП-транзисторах с н-каналом.
В обоих вариантах используется динамическая нагрузка, так как использование нагрузочных резисторов приводит к резкому увеличению площади и лишает МОПТЛ одного из ее основных преимуществ— высокой степени интеграции. ИЛЭ, показанный на рис. 10.10, а, построен по тому же принципу, что и РТЛ (рис. 10.2): логические транзисторы Т1 и Т2 включены параллельно, отпирание каждого из них приводит к снижению выходного уровня, т.е. схема выполняет функцию ИЛИ вЂ” НЕ.
Логические уровни в МОПТЛ соответствуют выходным напряжениям открытого и запертого ключа (рис, 8.17, б). В открытом состоянии остаточное напряжение на ключе описываетея формулой (8.49). При соответствующей геометрии транзисторов оно имеет столь же малое значение (0,05 — 0,15 В), как и в биполярных ключах. Поэтому можно считать Уо = У„, = 0,1 В. (10.13а) Напомним, что малое остаточное напряжение подразумевает как можно меньшую ширину канала нагрузочного транзистора по сравнению с шириной канала активного транзистора. Заметим также, что в схеме МОПТЛ остаточное напряжение убывает пропорционально числу открытых логических транзисторов, так как параллельное соединение транзисторов равносильно увеличению удельной крутизны 51 в формуле (8.49).
В закрытом состоянии ключа выходное напряжение близко к напряжению питания: Ес (10.13б) Соответственно логический перепад составляет: (10. 14) ('л = Ес - (даат о Ес Глана 10. Интеграланме схемы Обычно напряжение питания в МОПТЛ выбирается в 3-4 раза больше порогового напряжения. Следовательно, если Уэ = 1,5 — 3 В, то логический перепад (5 — 10 В) намного превышает значения, свойственные схемам ИзЛ, ЭСЛ и даже ТТЛ (при напряжении питания 4 — 5 В).
Еще одним достоинством МОПТЛ является повышенная помехоустойчивость. В самом деле, на входе запертого транзистора действует уровень Уз. Значит, для отпирания транзистора необходимо напряжение Уэ — Ус, близкое к пороговому, т. е. 1,5-3 В, тогда как у биполярных ИЛЭ, рассмотренных выше, оно составляет (1 — 2)У*, т. е. 0,7-1,4 В. ИЛЗ, показанный на рис, 10.10, б, характерен не параллельным, а последовательным включением логических транзисторов.
Поэтому протекание тока в цепи, а значит, и низкий уровень Уэ выходного напряжения возможны только при отпирании всех (в данном случае обоих) логических транзисторов. Зто имеет место при подаче уровня У1 на все логические входы. Отсюда ясно„что данный ИЛЭ выполняет функцию И вЂ” НЕ. Уровень У1 в данной схеме такой же, как в предыдущей, но уровень Уэ больше — он пропорционален числу последовательно включенных логических транзисторов и может составлять 0,2-0,5 В и более. Соответственно меньше будет логический перепад. При напряжениях питания 10 В и более этот недостаток мало существен, однако в низковольтных схемах с малыми пороговыми напряжениями повышенный уровень Уе представляет определенную проблему. Быстродействие МОПТЛ, как и простейших МОП-ключей, ограничивается скоростью перезаряда выходной емкости С (на рис.
10.10 показана штриховой линией). Величина этой емкости пропорциональна количеству нагрузочных ИЛЭ, а также зависит от емкости металлизации. Для повышения быстродействия нужно увеличивать рабочие токи транзисторов, т.е. нх удельные крутизны. Однако это означает увеличение ширины канала, т.е. площади, занимаемой транзисторами. Кроме того, увеличение рабочих токов связано с увеличением потребляемой мощности, а это — еще одно препятствие на пути повышения степени интеграции.
Из-за отмеченных затруднений реальные МОПТЛ оказываются менее быстродействующими, чем биполярные. 429 10.3. Логические злемеиты иа МДП-траиэисторах МОП-транзисторная логика на комплементарных транзисторах (КМОП-логика или КМОПТЛ). Простейшие КМОП-ключи были рассмотрены в равд. 8.6 (рис. 8.18). Их основное достоинство состоит в том, что изменение выходного напряжения не связано с изменением тока: он остается близким к нулю.
Это преимущество — ничтожную потребляемую мощность — сохраняют и КМОП логические элементы. Два типовых варианта таких ИЛЭ показаны на рис. 10.11. По принципу действия они аналогичны вариантам, показанным на рис. 10.10. На рис. 10.11 видна закономерность структуры КМОП логических элементов: параллельное соединение одного типа транзисторов сопровождается последовательным соединением транзисторов другого типа. Выполняемая логическая функция определяется включением транзисторов «нижнего этажа» (ср.
с рис. 10.10), В рассматриваемой схеме — это и-канальные транзисторы. Если изменить полярность питающего напряжения, то в «нижнем этаже» окажутся транзисторы с р-каналом. о) Рис. 10.11. КМОП логические злемекты ка комллемектариых клычах: о — элемент ИЛИ-НЕ;  — элемент И-НЕ Пусть в схеме на рис.
10.11, а на оба логических входа поданы уровни Уэ < Уэ. Тогда в и-канальных транзисторах Т1 и Т8 канал отсутствует, т. е. они заперты. В р-канальных транзисторах Т2 и Т4 образуются каналы, так как разность потенциалов Уэ — Е, = У,„превышает (по модулю) пороговое напряжение. Однако, поскольку через каналы протекают ничтожные токи Глава 10. Интеграл»лые схемы 430 запертых транзисторов Т1 и ТЗ, падение напряжения на каналах тоже получается ничтожным (см. (8.516)1.
Поэтому можно считать, что выходное напряжение равно напряжению питания. Это и есть уровень единицы: (10.15а) Ес Если подать на вход А уровень У», то в транзисторе Т1 образуется канал, а в транзисторе Т2 канал исчезает, т.е. этот транзистор запирается. Ничтожный остаточный ток транзистора Т2, протекая через канал Т1, дает на нем практически нулевое падение напряжения. Поэтому в данном случае можно считать (10.156) Соответственно логический перепад составляет (10. 16) Помимо высокой экономичности, дополнительными преимуществами КМОП-логики по сравнению с МОПТЛ являются малые рабочие напряжения (до 2Ус н менее) и более высокое быстродействие (см. конец равд. 8.6). Схема на рис.
10.11, б характеризуется аналогичными параметрами. Ее работа анализируется путем таких же рассуждений, какими мы пользовались выше. +я, Еще одной разновидностью элемен- тов, выполненных на комплементарных в транзисторах, являются ключи коммутации. Поскольку при размыкании и замыкании канала полевого транзистора управляющий сигнал гальванически не 1 связан с коммутируемой цепью, такой ключ может замыкать и разрывать последовательные электрические цепи. На р с шля клыч»» Рис. 10.12 показана типовая схема талии ла кемллемелтар- КМОП-ключа коммутации.
лых моп-трал»асторах Ключ имеет вход (А) и выход (В) сиг- нала, а также вход (Е) разрешения прохождения сигнала (названия «вход» и «выход» условные, т.к. ключ симметричен относительно этих функциональных выводов). В отличие от КМОП-инвертора, на затворы р- и л-каналь- 10.3. Лотмчеекме елемемтм ма МДП-транехетерах 431 ного транзисторов ключа подаются противоположные логические уровни, так что оба транзистора или одновременно закрыты (при высоком уровне на входе Е), или одновременно открыты (при низком уровне на входе разрешения Е). Канал проводимости в таком ключе двунаправленный и может пропускать логические уровни с амплитудой от 0 до + Е,.
За счет одновременного использования в ключе и- и р-канальных транзисторов удается снизить зависимость последовательного сопротивления ключа коммутации от уровня коммутируемого сигнала. Динамическая МОП-транзисторная логика (ДМОПТЛ). Общая особенность МОП-транзисторных ИЛЭ вЂ” то, что в цепочке они гальванически изолированы друг от друга благодаря огромному входному сопротивлению со стороны затвора — позволяет строить особый класс ИЛЭ вЂ” схемы динамического типа. Проиллюстрируем эту возможность на примере схемы, показанной на рис. 10.10, а.
Отключим затвор транзистора ТЗ от шины питания и будем подавать на него управляющие импульсы с амплитудой У,„= Е, (рис. 10.13, а). Эти импульсы называют птактовыми, а режим работы ИЛЭ при наличии тактовых импульсов — синхронным режимом. Ранее рассмотренные ИЛЭ работали в асинхронном режиме. Очевидно, что в отсутствие тактового импульса, когда У,„= О, транзистор ТЗ заперт независимо от состояния логических транзисторов. При этом мощность от источника питания не потребляется. Когда поступает тактовый импульс, затвор нагрузочного транзистора оказывается фактически присоединенным к шине питания, т.е.
схема приобретает такую же конфигурацию, как на рис. 10.10, а. Значит, во время действия тактового импульса синхронный ИЛЭ работает так же, как асинхронный, и потребляет или не потребляет мощность в зависимости от состояния логических транзисторов. Из сказанного следует, что синхронный режим обеспечивает выигрыш в потребляемой мощности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
