Комплиментарная МДП логика

Комплиментарная МДП (КМДП) логика включает в себя пары p- и n-канальных полевых транзисторов с индуцированным каналом. Простейшая схема, выполняющая операцию НЕ представлена на рисунке 1.18а.

Принцип её работы поясним с помощью таблицы 1.10.

Предположим, что напряжение питания равно Е_ПИТ=10 В. Как будет показано ниже напряжение U 0 =0 В, а U 1 =10 В. Пороговое напряжение, подаваемое на затвор, у таких транзисторов составляет примерно U_{ЗИ ПОРОГ} » 4 В. Тогда при подаче на вход напряжения логического ²0² (первая строчка таблицы) транзистор VT2 будет закрыт, а транзистор VT1 будет открыт. Так как напряжение между его затвором и истоком, который соединен с подложкой, равно U_ЗИ=-10 В, а пороговое напряжение для р-канального транзистора составляет U_{ЗИ ПОРОГ} »-4 В. Поскольку транзистор VT2 закрыт, ток стока I_С=0. Напряжение на выходе составит U_ВЫХ= 10 В и, следовательно, это соответствует логической ²1².

При подаче на вход логической ²1² U 1 =10 В (вторая строчка таблицы) транзистор VT1 будет закрыт, поскольку напряжение между его затвором и истоком составляет U_ЗИ=0 В, а транзистор VT2 будет открыт. Так как транзистор VT1 закрыт, ток стока так же будет равен I_С=0. Напряжение на выходе составит U_ВЫХ= 0 В и, следовательно, это соответствует логическому ²0². Таким образом, в статическом состоянии ток через схему отсутствует за исключением тока утечки, который составляет единицы мкА.

Рассмотрим схему, приведенную на рисунке 1.18б. Принцип её работы также поясним с помощью таблицы 1.11.

При подаче на оба входа логического ²0², как было рассмотрено выше транзисторы VT1 и VT2 открыты, а транзисторы VT3 и VT4 закрыты. На выходе будет высокий потенциал и ток через схему отсутствует (первая строчка таблицы 1.11).

При подаче на вход хотя бы одной логической ²1² один из транзисторов VT3 или VT4 открывается, а один из транзисторов VT1 или VT2 закрывается. Поскольку один из транзисторов закрыт VT3 или VT4, то ток через схему отсутствует, а на выходе будет высокий потенциал, т.е. логическая ²1² (вторая и третья строка таблицы).

При подаче на оба входа логических ²1² оба транзистора VT3 и VT4 открыты, а транзисторы VT1 и VT2 закрыты. На выходе будет логический ²0² и ток через транзисторы по-прежнему отсутствует (четвертая строчка таблицы). Таким образом, данная схема выполняет операцию И-НЕ. В статическом режиме она не потребляет тока.

Схема ИЛИ-НЕ представлена на рисунке 1.19а, а её принцип работы поясним с помощью таблицы 1.12.

В этом случае, в отличие от предыдущего, при подаче на один из входов логической ²1²(вторая и третья строчки таблицы) на выходе будет логический ²0², так как один из транзисторов VT1 и VT2 закрыт, а один из транзисторов VT3 или VT4 открыт, т.е. на выходе будет нулевой потенциал.

Характеристика прямой передачи приведена на рисунке 1.19б. При подаче низкого потенциала на вход, как было показано выше, на выходе будет высокий потенциал (логическая ²1²). Увеличивая напряжения на входе (при достижении порогового напряжения) открываются транзисторы VT3 и VT4 и начинают закрываться транзисторы VT1 и VT2, напряжение на выходе падает до нуля. Аналогично можно и объяснить характеристику тока потребления от входного напряжения (рисунок 1.19в), т.е. при напряжении от 3 до 7 вольт все транзисторы ²приоткрыты² и в этом случае через схему протекает ток. Это приводит к тому, что при увеличении частоты переключения средний ток, потребляемый схемой, увеличивается (рисунок 1.20) и на высоких частотах он может сравняться с током потребления ТТЛ и ТТЛШ.

Ниже приведены параметры некоторых серий микросхем КМДП. Средний ток потребления от источника питания I_{ПОТР СР} приведен в статическом режиме. Из таблицы видно, что с совершенствованием технологии растут энергетические показатели.

Источник

Цифровые интегральные логические элементы

В процессе развития интегральной электроники выделилось несколько типов схем логических элементов, имеющих достаточно хорошие характеристики и удобных для реализации в интегральном исполнении, которые служат элементной базой современных цифровых микросхем.

Базовые элементы, независимо от их микросхемотехники и особенностей технологий изготовления, строятся в одном из базисов (как правило, в базисе И – НЕ или ИЛИ – НЕ ).

Базовые элементы выпускаются в виде отдельных микросхем, либо входят в состав функциональных узлов и блоков, реализованных в виде СИС, БИС, СБИС.

Входная логика может быть выполнена на диодах, биполярных и полевых транзисторах. В зависимости от этого различают:

В перечисленных группах логических элементов в качестве выходного каскада используется ключевая схема (инвертор). Другая группа логических элементов основана на переключателях тока – эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ-логика).

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Рис. 17. Базовый элемент ТТЛ

При подаче низкого потенциала логического нуля хотя бы на один из входов открывается этот переход эмиттер–база транзистора Т1, появляется значительный ток I э и потенциал в точке A, равный , приближается к нулевому. Разность потенциалов между базой и эмиттером Т2 также становится равной нулю, ток I б транзистора Т2 прекращается, и он закрывается (переходит в режим отсечки). В результате выходное напряжение приобретает значение, равное напряжению питания (логической единицы).

Существенным недостатком рассмотренной схемы элемента И–НЕ являются низкие нагрузочная способность и экономичность ее инвертора, поэтому в практических схемах используют более сложный инвертор.

В конце 70-х годов началось широкое применение серий элементов на транзисторах Шоттки с повышенным быстродействием за счет уменьшения задержки выключения ключей. По принципу действия базовый элемент ТТЛШ аналогичен ТТЛ-элементу.

Необходимо заметить, что схемам ТТЛ и ТТЛШ свойственен большой логический перепад напряжений, равный

.

Интегральная инжекционная логика (И 2 Л)

Схемы И 2 Л не имеют аналогов в дискретных транзисторных схемах, т. е. характерны именно для интегрального исполнения. Основой И 2 Л элементов является инвертор (рис. 18), составленный из двух транзисторов.

Рис. 18. Базовый элемент инжекционной логики

Транзистор Т1 является транзистором n-p-n типа, а транзистор Т2 – p-n-p типа, причем одна из областей n-типа является как базой транзистора Т1, называемого инжектором (отсюда и название логики), так и эмиттером транзистора Т2, а база транзистора Т2 является коллектором инжектора. Функционально транзистор Т1 выполняет роль нагрузочного резистора, а Т2 – полупроводникового ключа.

Выходной транзистор – многоколлекторный, что обеспечивает развязку выходов друг от друга. Если ключевой транзистор предыдущей схемы открыт, то через него замыкается на корпус ток I к транзистора Т1, заданный внешним источником тока, и не поступает в базу транзистора Т2, оставляя его закрытым.

Рис. 19. Реализация схемы ИЛИ–НЕ в логике И 2 Л

В качестве источников тока питания I ип служат генераторы токов на p-n-p транзисторах, включенных по схеме с общей базой. Из-за отсутствия в схеме резисторов и общих для обоих транзисторов областей p и n-типа схема очень технологична и в интегральном исполнении позволяет достичь плотности упаковки в 50 раз выше, чем при ТТЛ технологии.

При напряжении питания 1,5 В значение высокого потенциала порядка 0,7 В, а низкого – 0,05 В. Так как транзистор Т1 представляет высокоомную нагрузку, потребляемая элементом мощность может быть снижена до чрезвычайно низкой величины (раз в 100 меньше, чем у ТТЛ-элементов). Поэтому элементы И 2 Л нашли широкое применение в БИС (серии КР582, 584).

В сериях ИС невысокой степени интеграции логика И 2 Л не эффективна из-за низкого логического перепада, равного 0,65 В, и поэтому, низкой помехоустойчивости. Кроме того, по быстродействию, вследствие глубокого насыщения транзисторов инвертора, И 2 Л-элементы уступают ТТЛШ-элементам.

Логические элементы на МДП-транзисторах

В настоящее время в логических схемах используются МДП-транзисторы с диэлектриком SiO 2 (МОП-транзисторы).

Анализ МОП-транзисторных логических элементов достаточно прост, т.к. из-за отсутствия входных токов их можно рассматривать отдельно от других элементов даже при работе в цепочке.

На рис. 20 показаны два варианта построения логических элементов на МОП-транзисторах с n-каналами.

а б

Транзисторы Т3 выполняют роль нагрузки.

Логические уровни в обеих схемах не зависят от нагрузки и соответствуют выходным напряжениям открытого и закрытого ключа:

.

Соответственно, логический перепад составляет:

.

Напряжение питания E c МОП-логики выбирают в 3…4 раза больше порогового напряжения U o открывания транзисторов. Если U o = 1,5 … 3В, то получаемый логический перепад в 5 … 10В намного превышает значения, свойственные схемам И 2 Л, ЭСЛ и даже ТТЛ (при напряжении питания 4 … 5В). Поэтому МОП-логика обладает повышенной помехоустойчивостью.

Более высоким быстродействием и низким энергопотреблением характеризуется логика на комплементарных транзисторах вследствие причин, рассмотренных ранее. По принципу действия и схемотехнике КМОП-логика очень близка МОП-логике.

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

Вследствие ненасыщенного режима работы транзисторов логический перепад в схеме не превышает 0,65В.

Параметры интегральных логических элементов

Независимо от принадлежности к той или иной серии, все логические элементы характеризуются определенным одним и тем же набором параметров, которые являются справочными данными. Значения же этих параметров обусловлены схемотехническим конструктивным и технологическим исполнением элементов.

Значения параметров, как правило, задаются с запасом и не исчерпывают физических возможностей микросхемы, однако превышать их не следует.

Оценивают микросхемы по следующим основным параметрам:

быстродействию, напряжению питания, потребляемой мощности, коэффициенту разветвления по выходу, коэффициенту объединения по входу, помехоустойчивости, энергии переключения, надежности, стойкости к климатическим и механическим воздействиям. Рассмотрим основные из них.

Уровни выходных напряжений

Техническими условиями для каждой серии логических элементов задаются наибольший и наименьший уровни выходных напряжений, соответствующих логическим единице и нулю при допустимых изменениях напряжения питания, нагрузки, температуры. Напряжение

U 1 вых min соответствует минимальному уровню логической единицы на выходе (для ТТЛ U 1 вых min = 2,4В), а напряжение U 0 вых max – максимальному уровню логического нуля (для ТТЛ U 0 вых max = 0,4В).

Статическая помехоустойчивость

Этот параметр определяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы и оценивается для низкого и высокого уровней напряжения.

Статической помехоустойчивостью по низкому уровню считают разность

,

где U 0 вых max – максимальное допустимое напряжение низкого уровня на выходе нагруженной микросхемы;

U 0 вх max – максимальное допустимое напряжение низкого уровня на входе нагружающей микросхемы.

Помехоустойчивость по высокому уровню определяют так:

;

здесь U 1 вых min – минимальное напряжение высокого уровня на выходе нагруженной микросхемы; U 1 вх min – минимальное допустимое напряжение высокого уровня на нагружающем входе.

ТТЛ, например, логика еще будет нормально работать, если на ее входе напряжение логического нуля достигнет 0,8В, а напряжение логической единицы снизится до 2В. Таким образом, гарантированный запас помехоустойчивости в обоих состояниях составляет 0,4В. Реальный же запас помехоустойчивости гораздо больше и превышает 1В.

Коэффициент разветвления по выходу

Этот параметр К р аз (нагрузочная способность) определяет максимальное число входов элементов данной серии, которым можно нагружать выходы микросхемы без нарушения ее нормального функционирования.

Коэффициент объединения по входу

К об определяет число логических входов, которые имеет логический элемент.

Простейшие логические элементы выпускаются с 2, 3, 4 и 8 входами. Более сложные устройства содержат и другие входы: адресные, установочные, разрешающие, входы синхронизации и др.

Входные токи

Эти параметры определяют нагрузку, которую представляет рассматриваемая схема, на предшествующую схему или другой источник сигнала. Различают входные токи I 0 вх и I 1 вх при подаче логических нуля или единицы.

Средняя статическая потребляемая мощность

Определяется следующим образом:

,

где P 0 пот и P 1 пот – мощности, потребляемые интегральным логическим элементом в состоянии логического нуля и логической единицы. Это вытекает из того, что в сложных многоэлементных устройствах в среднем половина логических элементов находится в состоянии 1, а половина – в состоянии 0.

Быстродействие

Характеризуется максимальной частотой смены входных сигналов, при которой еще не нарушается нормальное функционирование устройства.

Инерционность полупроводниковых приборов и паразитные емкости служат причиной того, что каждое переключение сопровождается переходными процессами, отчего фронты импульсов растягиваются.

Для оценки временных свойств микросхем обычно пользуются задержкой распространения сигнала, которая представляет собой интервал времени между входным и выходным импульсами, измеренными на уровне 0,5. Задержки распространения сигнала при включении t 1,0 зд.р. и при выключении t 0,1 зд.р. не равны, поэтому пользуются усредненным параметром t зд.р. ср. = 0,5(t 1,0 зд.р. + t 0,1 зд.р. ).

Для последовательностных устройств (триггеры, счетчики и др.) вводятся некоторые дополнительные временные параметры, обусловленные принципом действия: разрешающее время, длительность входного импульса и др.

В общем случае анализ физических, технологических и схемотехнических особенностей интегральных логических элементов показывает, что можно создать различные их варианты, но их особенностью будут либо относительно высокое (высокое) быстродействие при низкой экономичности, либо высокая экономичность при относительно низком (низком) быстродействии. Обобщенные характеристики известных типов интегральных логических элементов приведены в таблице 3.

Источник

Логические элементы на МДП-транзисторах

При построении логических ИМС используют МДП-транзисторы с индуцированным n- или p-каналом. Предпочтение отдается n-канальным транзисторам, которые обеспечивают большее быстродействие логических ИМС, а самое главное – их полную совместимость по номиналу питания и логическим уровням сигналов 0 и 1.

Базовый элемент (рис. 3.35.б) реализует функцию И – НЕ. Если хотя бы один из управляющих транзисторов T1 и T2 закрыт (на его входе низкий уровень сигнала), то на выходе ЛЭ будет высокий уровень напряжения. Схема переключается по выходу в состояние логического нуля, только при подаче на все входы одновременно логической единицы. Так как при последовательном включении транзисторов T1 и T2 уменьшается эквивалентная крутизна их характеристик, то возрастает остаточное напряжение . Поэтому помехоустойчивость схемы ИЛИ – НЕ выше, чем схемы И – НЕ.

С увеличением числа входов помехоустойчивость схемы И – НЕ уменьшается, что ограничивает максимальное число входов. В схеме ИЛИ – НЕ максимальное число входов ограничивается требуемым быстродействием логических ИМС. Нагрузочная способность МДП – схем велика, так как входные токи в МДП–транзисторах практически отсутствуют, и зависит только от требуемого быстродействия (увеличивается емкость нагрузки ).

Широкое распространение получили ИМС с использованием комплементарных МДП–транзисторов (КМДП – логика). На основе инверторов КМДП–типа реализуются ЛЭ вида И–НЕ и ИЛИ–НЕ, приведенные на рис. 3.36.

В базовом ЛЭ И-НЕ управляющие транзисторы T1 и T2 соединены последовательно, а нагрузочные T3 и T4 – параллельно. При подаче на все входы схемы сигналов , управляющие транзисторы T1 и T2 открыты, а нагрузочные T3 и T4 закрыты. На выходе ЛЭ устанавливается низкий уровень сигнала . При действии низкого уровня сигнала на входах схемы оба управляющих транзистора T1 и T2 закрыты, а транзисторы T3 и T4 открыты, и на выходе ЛЭ будем иметь высокий уровень сигнала . Состояние схемы не изменится, если напряжение поступает только на один из входов, так как один из управляющих транзисторов остается закрытым, а один из нагрузочных транзисторов открыт.

В базовом элементе ИЛИ-НЕ (рис. 3.36.б) управляющие транзисторы T1 и T2 соединены параллельно, а нагрузочные T3 и T4 – последовательно. Когда на обоих входах присутствуют сигналы низкого уровня , управляющие транзисторы T1 и T2 закрыты, а нагрузочные T3 и T4 открыты, напряжение на выходе . Если хотя бы на одном из входов устанавливается сигнал высокого уровня , один из управляющих транзисторов открыт, а парный с ним нагрузочный транзистор закрыт, напряжение на выходе имеет низкий уровень сигнала .

Логические элементы с большим числом входов организованы подобным же образом. Коэффициент объединения для схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ обычно равен . КМДП-логика характеризуется высокой эффективностью использования напряжения источника питания, так как логический перепад сигнала в обоих схемах . Для обеспечения совместимости КМДП и ТТЛ схем по уровням сигналов напряжение источника питания выбирают равным , однако при этом КМДП-схемы имеют низкое быстродействие. КМДП-схемы обладают высокой помехоустойчивостью (при наиболее неблагоприятных условиях) и высокой нагрузочной способностью.

Вопросы для самопроверки

1. Нарисуйте принципиальную схему насыщенного ключа на биполярном транзисторе.

2. Постройте нагрузочную прямую для ключа и отметьте на ней точки, соответствующие режиму насыщения и отсечки.

3. Приведите эквивалентную схему ключа, соответствующую режиму отсечки, и укажите на ней токи, протекающие в схеме.

4. Приведите эквивалентную схему ключа, соответствующую режиму насыщения, и укажите на ней токи, протекающие в схеме.

5. От чего зависят токи транзистора в режиме насыщения. Запишите их значения.

6. Нарисуйте временные диаграммы токов и напряжений в ключе при открывании транзистора.

7. От каких элементов схемы ключа и каким образом зависит длительность положительного фронта импульса?

8. Нарисуйте временные диаграммы токов и напряжений в ключе при закрывании транзистора.

9. Почему при закрывании транзистора ток базы становится отрицательным?

10. Как можно уменьшить время рассасывания в насыщенном ключе?

11. От каких элементов схемы ключа и каким образом зависит длительность отрицательного фронта импульса?

12. Нарисуйте принципиальную схему ключа с ускоряющей емкостью.

13. Объясните, почему включение конденсатора позволяет сократить время переходного процесса.

14. Нарисуйте принципиальную схему ключа с нелинейной обратной связью.

15. Объясните работу ключа с нелинейной обратной связью.

16. Нарисуйте принципиальную схему транзисторного переключателя тока и объясните принцип его работы.

17. Почему переключатель тока имеет высокое быстродействие?

18. Нарисуйте схему ключа на n-канальных МДП-транзисторах и объясните принцип его работы.

19. Нарисуйте схему ключа на комплементарных МДП-транзисторах и объясните принцип его работы.

20. Укажите основные достоинства ключа на комплементарных транзисторах.

21. Какие логические операции Вы знаете?

22. По каким признакам классифицируют логические элементы?

23. Назовите основные параметры логических элементов.

24. Нарисуйте простейшую схему ЛЭ ТТЛ и объясните принцип его работы.

25. Укажите основные недостатки простейшего ЛЭ ТТЛ.

26. Нарисуйте схему базового ЛЭ ТТЛ со сложным инвертором.

27. Объясните принцип работы ЛЭ ТТЛ со сложным инвертором.

28. Нарисуйте схему ЛЭ ТТЛ с тремя выходными состояниями.

29. Нарисуйте схему базового ЛЭ ЭСЛ.

30. Объясните принцип работы базового ЛЭ ЭСЛ.

31. Укажите основные достоинства и недостатки ЭСЛ.

32. Нарисуйте схему базового ЛЭ И 2 Л и объясните принцип его работы.

33. Укажите основные достоинства и недостатки И 2 Л.

34. Нарисуйте схемы ЛЭ И-НЕ и ИЛИ-НЕ n-МДП – логики и объясните принцип их работы.

35. Нарисуйте схемы ЛЭ И-НЕ и ИЛИ-НЕ КМДП – логики и объясните принцип их работы.

36. Укажите основные достоинства и недостатки КМДП – логики по сравнению с ТТЛ.

Источник