2.5. Логические элементы на моп‑транзисторах

Логические элементы на МОП-транзисторах могут быть выполнены как на элементах p-типа, так и элементах n-типа (p- или n-проводимости). Так как полевые транзисторы управляются напряжением (у них отсутствуют входные токи) и имеют высокое выходное сопротивление, то потребляемый элементом ток невелик.

Базовый элемент И-НЕ на полевых транзисторах с каналом n-типа приведен на рис. 2.5.

Если на оба входа (Х₁ и Х₂) подан уровень логической единицы, оба транзистора открываются, и через них проходит ток, ограниченный сопротивлением транзистора Т₁ (величина выходного сопротивления транзистора Т₁, являющегося нагрузкой, регулируется напряжением, подаваемым на его исток). Напряжение на выходе небольшое, оно соответствует уровню логического нуля. Если закрыты оба входных транзистора (Х₁ и Х₂ имеют уровень логического нуля), или хотя бы один из них, то ток через них отсутствует и на выходе элемента окажется уровень логической единицы, близкий к величине напряжения питания Е.

Р ис. 2.5. Базовый элемент И-НЕ Рис. 2.6. Базовый элемент ИЛИ-НЕ

Для построения элемента ИЛИ-НЕ достаточно входные транзисторы включить параллельно, а нагрузочный транзистор Т₁ включить в качестве их общей нагрузки (рис. 2.6). В этом случае на выходе будет уровень логической единицы, когда оба входных транзистора Т₁ и Т₂ будут закрыты (на их входы поданы нулевые уровни). И если хотя бы один из входных транзисторов окажется открытым (на его вход подан уровень логической единицы), то ток потечет через нагрузочный транзистор Т₃ и выходное напряжение упадет до уровня логического нуля.

2.6. Кмоп микросхемы

Широкое распространение получили микросхемы, построенные на КМОП (комплиментарных, дополняющих) транзисторах. Микросхемы имеют малую мощность потребления в статическом режиме, достаточно высокое быстродействие, большую помехоустойчивость и достаточно высокую нагрузочную способность. Мощность, потребляемая КМОП-схемой, расходуется в основном во время переходного процесса на заряд емкостей. В статическом режиме мощность определяется токами утечки закрытого МОП-транзистора. Схемы составляются из полевых транзисторов разного типа проводимости. Структура КМОП является идеальным переключателем напряжения. Такой переключатель содержит два МОП транзистора с каналами p- и n-типов. На рисунке 2.8 в качестве примера показана базовая схема функционального элемента, реализующего функцию . Транзистор n-типа подключен истоком к нулевому потенциалу (земле); транзистор p-типа подключен истоком к положительной шине источника питания (рис.2.7).

При подаче логической единицы (напряжения высокого уровня) на входы Х₁ и Х₂ открываются n-канальные транзисторы T₃ и T₄ , а p-канальные транзисторы T₁ и T₂ закрываются. Напряжение низкого уровня (логический ноль) будет на выходе элемента И-НЕ только при одновременной подаче напряжения высокого уровня (логических единиц) на входы Х₁, Х₂. Если напряжение хотя бы на одном из входов (например, Х₁) будет низкого уровня, то закроется n-канальный транзистор T₃, и откроется р-канальный транзистор T₁, через канал которого выход элемента подключается к источнику питания. Таким образом, на выходе будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической единице.

Рис. 2.7. Схема элемента «2И-НЕ»

Для реализации базового логического элемента ИЛИ-НЕ на КМОП структурах участки схемы, содержащие последовательно и параллельно включенные транзисторы, следует поменять местами.

Такая схема обеспечивает работу в режиме положительной логики. В этом режиме работают наиболее распространенные микросхемы.

Номинальное напряжение питания КМОП микросхем в зависимости от серии порядка 9-10 В. Однако, они сохраняют работоспособность в более широком диапазоне питающих напряжений (3-18 В). Потребляемая мощность в статическом режиме составляет 0.02…1мкВТ на вентиль.

Выходные уровни микросхем при работе на однотипные микросхемы практически не отличаются от напряжения питания и потенциала общего провода. Максимальный выходной ток большинства микросхем не превышает единиц миллиампер (табл.2.2). Это затрудняет непосредственное согласование по уровню с микросхемами других серий. Входное сопротивление элементов составляет 10³…10⁶Мом. КМОП элемент практически не потребляет тока по входам и значение входного порога равно приблизительно половине напряжения питания.

Микросхемы КМОП серий имеют значительно меньшее быстродействие по сравнению с ТТЛ микросхемами. Среднее время задержки, определяющее максимальную частоту, зависит от напряжения питания и составляет десятки наносекунд. С ростом напряжения питания быстродействие увеличивается.