Цифровые и логические устройства, страница 6

Схема базового инвертора изображена на рис. 8.12. Рядом приведена проходная характеристика транзистора. Её рабочий участок смещён в область положительных напряжений на затворе, как у биполярных транзисторов. Как раз то, что надо. На этом же рис. изображена и передаточная характеристика инвертора, зависимость  от . Получается хороший инвертор, у которого логический порог близок к середине интервала напряжений между уровнями логических переменных. Такие инверторы, по сравнению с инверторами на биполярных транзисторах, имеют более высокое быстродействие и меньшее энергопотребление. В реальных схемах инверторов роль нагрузки  часто выполняет такой же транзистор, но не управляемый (динамическая нагрузка), рис. 8.13. Он работает как нелинейное сопротивление. Этим достигается единство технологии.

Базовый элемент «или – не» изображён на рис. 8.14. Если на входах имеется хоть одна логическая 1 (высокий уровень), то соответствующий транзистор будет открыт, и на выходе мы получим логический 0 (низкий уровень). Только когда оба транзистора закрыты (), на выходе мы будем иметь высокий уровень (лог. 1).

Если мы хотим получить элемент «и – не», надо входные транзисторы включить последовательно.

МОП транзисторы с индуцированным  p – каналом имеют проходные характеристики, рабочая область которых смещена в область отрицательных значений напряжений на затворе, рис. 8.12б. Поэтому «самостоятельное» их применение, при кодировании логических переменных положительными уровнями, затруднительно. Однако они широко применяются совместно с n – канальными МОП транзисторами, образуя комплементарные (дополнительные) пары – КМОП пары транзисторов.

8.3.2. Базовые элементы на КМОП транзисторных парах.

Ограничимся тоже двумя примерами. Базовый инвертор изображён на рис. 8.15. Получилась двухтактная схема инвертора, которая имеет мéньшее выходное сопротивление и бóльшую нагрузочную способность. Если на вход подан низкий уровень (лог. 0), то n – канальный транзистор Т₁ будет закрыт (), а p – канальный транзистор Т₂ открыт (для него  в). На выходе мы имеем высокий уровень (лог. 1). Если на вход подан высокий уровень (пусть  в), то транзистор Т₁ будет открыт, а транзистор Т₂ закрыт ( в). На выходе имеем низкий уровень.

Базовый элемент «или – не» изображён на рис. 8.16. Входные n – канальные транзисторы Т₁ и Т₂ включены параллельно, а p – канальные Т₃ и Т₄ , последовательно. Если на оба входа мы подадим низкие уровни, то транзисторы Т₁ и Т₂ будут закрыты, а Т₃ и Т₄ открыты. На выходе мы будем иметь высокий уровень. Во всех остальных случаях один или оба n – канальных транзистора будут открыты, а цепочка p – канальных транзисторов закрыта. На выходе мы получим низкий уровень.

Если включить входные n – канальные транзисторы последовательно, а p – канальные параллельно, то получится базовый элемент «и – не».

Базовые элементы на КМОП транзисторах оказались самыми перспективными, поскольку они имеют значительные преимущества перед элементами на биполярных транзисторах:

1. Бóльшее быстродействие.

2. Мéньшее потребление энергии (очень маленькие токи).

3. Единство технологии изготовления и мéньшие размеры элементов схемы, за счет чего достигается очень большая степень интеграции.

8.4. Различные цифровые и логические устройства.

Их делят на простые и сложные. Простыми называют «базовые» элементы, реализующие основные логические операции: сложение, умножение, и-не, или-не, исключающее или и др. Сложные устройства реализуют сложные логические функции и содержат много простых элементов. Степень сложности, «интеграции» оценивают по числу простых операций в одной схеме, . При этом   используют логарифмический параметр . Интегральные схемы делят на: малые, МИС - ; средние, СИС - ; большие, БИС -  и сверхбольшие, СБИС - .

Все логические устройства делят на комбинационные и последовательные. Комбинационные устройства не имеют памяти. Для них входные переменные однозначно определяют выходные в тот же момент времени. К комбинационным устройствам относят уже рассмотренные простые элементы, а так же сумматоры, преобразователи кодов, шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры.