Элементы цифровых систем, страница 3

При реализации И²Л–вентилей важную роль играет монтажная логика. Чтобы расширить возможности построения монтажных схем, выходные транзисторы вентилей часто делаются с двумя и более коллекторами. Коллекторы изолированы друг от друга и поэтому могут участвовать в разных монтажных вентилях.

Переключающиеся транзисторы И²Л–вентилей в проводящем состоянии достигают насыщения. Это ограничивает быстродействие, поэтому с целью повышения быстродействия разработаны схемы с использованием диодов Шоттки;  И²Л–Шоттки обладают примерно вдвое большим быстродействием по сравнению с обычными И²Л–схемами.

6.2.6. Логические элементы на полевых транзисторах

Существует несколько семейств элементов на полевых транзисторах. Наиболее распространены семейства, построенные на основе n-МОП технологии, p-МОП технологии и КМОП технологии.

Логические элементы на n-канальных и p-канальных МОП транзисторах обычно построены по схемам с непосредственной связью. Это означает, что для реализации различных логических функций используется последовательное/параллельное соединение транзисторов, действующих как переключатели. Например, вентиль ИЛИ-НЕ с двумя входами (рис. 6.8,а) можно построить путем параллельного соединения двух n-канальных нормально закрытых (с индуцируемым каналом) МОП транзисторов когда на обоих входах действует напряжение низкого уровня (U_н = 0…0,5 В) оба транзистора закрыты, и на их объединенных коллекторах высокий уровень напряжения [U_в=(0,9…1)U_и.п]. Если к затвору хотя бы одного транзистора приложено высокое напряжение U_в, он переходит в открытое состояние и через малое сопротивление канала выход соединяется с землей. Таким образом схема на рис. 6.8,а представляет собой вентиль ИЛИ-НЕ.

Если n-канальные МОП транзисторы с индуцируемым каналом соединить последовательно (рис. 6.8,б), то получится вентиль И-НЕ. В этом случае, лишь когда оба входа имеют высокий потенциал – на выходе устанавливается низкий. Если хотя бы один вход имеет низкий потенциал, ток через резистор R становится практически равным нулю, и на выходе устанавливается высокий потенциал.

Нагрузочный резистор в вентилях на МОП транзисторах обычно заменяют еще одним полевым транзистором, который действует как нелинейное сопротивление. Часто для этой цели применяется полевой транзистор со встроенным каналом (VT1 на рис. 6.8,в).

Устройство p-МОП вентилей в основном аналогично n-МОП схемам, только все напряжения отрицательны (рис. 6.8,г).

6.2.7. Логические элементы на КМОП-структурах

Комплиментарная логика – это широко применяющееся семейство со стандартными техническими характеристиками, которые соблюдаются всеми фирмами-изготовителями. КМОП - это сокращение от слов комплиментарный, металл, окисел, полупроводник, отражающих тот факт, что в одной и той же схеме присутствуют как n-канальные, так и p-канальные МОП транзисторы. Употребляется также термин КМДП (комплиментарный, металл, диэлектрик, полупроводник). Все транзисторы в этих схемах – с индуцируемым каналом.

В системе элементов  КМОП (рис. 6.9), также как и в n-МОП приняты следующие значения стандартных уровней сигналов: напряжение низкого уровня Н равно  U_н  » 0;  напряжение  высокого  уровня В  равно U_в » U_и.п.. Поэтому транзисторы работают в ключевом режиме: низкий уровень входного напряжения открывает p-канальные транзисторы, т.к. во всех схемах их подложки находятся под напряжением +U_и.п. и закрывает n-канальные; высокий уровень – открывает n-канальные транзисторы, т.к. их подложки заземлены и закрывает p-канальные. При этом комплиментарная пара транзисторов, затворы которых объединены, всегда находится в противоположных состояниях:

n-канальный – открыт, закрыт

р-канальный ‑ закрыт, открыт.

С учетом изложенных выше замечаний, читателям предлагается самостоятельно составить таблицы состояний для схем КМОП–вентилей, приведенных на рис. 6.9.

В статическом режиме электрическая цепь между источником питания и землей всегда разомкнута, поэтому энергопотребление КМОП–вентиля чрезвычайно мало и выходные уровни  незначительно отличаются от напряжения питания.

Широко применяется вентиль с тремя состояниями (инвертор). Собственно инвертор построен на комплементарной паре транзисторов VT2 и VT3 (рис. 6.10,а). Когда сигнал управления имеет разрешающий высокий уровень (Е = В, ), транзисторы VT1 и VT4 открыты – к инвертору подключены напряжения источника питания и земля, и он работает в обычном режиме. При запрещающем значении сигнала управления (Е = Н, ) транзисторы VT1 и VT4 закрыты, собственно инветор (VT2, VT3) отключается от цепи питания и принимает состояние высокого выходного сопротивления Z. Следовательно, кроме двух состояний, свойственных инвертору (рис. 6.9,а), вентиль на рис. 6.10,а обладает дополнительным состоянием «Отключено». Вентили с тремя состояниями удобно объединять на одну выходную шину, поэтому они широко применяются в буферных устройствах микросхем различной степени интеграции.

На КМОП-структурах реализуется также специфичный вентиль – двунаправленный ключ, который в функциональном отношении является аналогом реле. На рис. 6.10,б представлена схема такого ключа, состоящего из комплементарной пары транзисторов VT1 и VT2. Истоки/стоки и стоки/истоки объединены и используются в качестве информационных выводов (D1, D2). Управление осуществляется парафазным сигналом (Е, ). Разрешающий сигнал (Е=В, ) открывает оба транзистора, и информационные выводы D1 и D2 замыкаются между собой  (сопротивление R_замкн. между ними около 100 Ом). Запрещающий сигнал (Е= Н, ) запирает оба транзистора и ключ переходит в непроводящее состояние (R_{разомкнт.} достигает нескольких МОм). Схема двухстороннего ключа, дополненная инвертором, широко применяется в ИМС средней и большой степени интеграции.