2. Базовые логические элементы кмоп.

КМОП означает – комплиментарный металл-окисел-полупроводниковый транзистор.

Ключи на моп-транзисторах одного типа проводимости.

Широкое применение находят n-канальные транзисторы, поскольку они обеспечивают более высокое быстродействие, чем р-канальные, а логические элементы на их основе легко согласуются с логическими элементами на биполярных транзисторах. Принципиальная схема ключа на n-канальных транзисторах и поясняющие его работу временные диаграммы приведены на рис. 10.10. Роль динамической нагрузки выполняет транзистор Т2, у которого затвор соединен со стоком, образуя двухполюсник.

В запертом состоянии Т1, когда на его затвор подано напряжение , не превышающее порога отпирания (рис.10.11,а), ток через Т2 практически не протекает, поэтому падение напряжения и .

Отсюда следует, что и Т2 тоже закрыт. Точное значение определяется точкой пересечения выходной характеристики транзистора Т1 при и линии нагрузки, представляющей собой динамическую характеристику транзистора Т2 (точка А на рис. 10.11,б). Эта точка находится в интервале , смещаясь к одной или другой границе интервала в зависимости от соотношения токов утечки транзисторов. С учетом этого из рис. 10.10,б видно, что последующий ключ будет надежно открыт, если минимально возможное выходное напряжение данного ключа . Отсюда следует требование к напряжению источника питания: .

В открытом состоянии ключа, когда на затвор транзистора Т1 подано , его канал имеет низкое сопротивление, и напряжение (точка В на рис. 10.11,б). Если при этом , то открыт также транзистор Т2. Остаточное напряжение для аналогичного последующего ключа является выключающим, следовательно, должно удовлетворять неравенству: , т.е. быть близким к нулю. Это возможно, когда сопротивление канала открытого транзистора Т1 значительно (до двух порядков) меньше сопротивления канала открытого Т2. Иными словами, удельная крутизна транзистора Т1 должна быть существенно выше удельной крутизны Т2. На практике это достигается в основном использованием транзисторов разной геометрии: Т1 имеет короткий и широкий канал, a Т2 − узкий и длинный.

Поскольку минимальное сопротивление канала открытого транзистора Т4 обычно составляет сотни и более Ом, сопротивление канала открытого транзистора Т2 должно быть десятки килоом. Последнее обстоятельство существенно ухудшает быстродействие ключа. Действительно, на этапе выключения, когда транзистор Т1 быстро запирается, заряд паразитной емкости нагрузки происходит через высокоомную цепь − транзистор Т2. Даже при незначительной емкости (единицы пикофарад) постоянная времени цепи заряда составляет десятки наносекунд. Поэтому ключевые элементы на однотипных МОП-транзисторах применяется главным образом в БИС, где паразитные емкости незначительны и, кроме того, реализуются такие преимущества, как малая площадь, простота и низкая стоимость изготовления.

Базовые логические элементы на моп-транзисторах одного типа проводимости: схема, статическое состояние, свойства.

Сериям цифровых ИС на однотипных МОП-транзисторах (МОПТЛ) свойственно наличие двух базовых элементов, хотя основа у них общая − ключ (рис. 10.10,а). Двойственность обусловлена желанием расширить исходные функциональные возможности элементов в связи с простотой и однородностью компонентов, состоящих из набора управляемых транзисторов и общей нагрузки (неуправляемого транзистора). Если управляемые транзисторы соединить параллельно, то ЛЭ выполняют операцию ИЛИ-НЕ, если последовательно − И-НЕ. Действительно, в первом случае (рис. 11.18,а), чтобы , необходимо подать логическую единицу хотя бы на один вход, во втором (рис. 11.18,б) − на все входы.

Количество управляемых транзисторов ограничено: при параллельном соединении из-за роста тока утечки закрытых транзисторов падает уровень U¹, при последовательном соединении в открытом состоянии растет уровень U^о.

В связи с тем, что затворы транзисторов и подложка разделены тонким слоем диэлектрика, имеющего огромное сопротивление утечки (примерно 10¹²Ом) и не очень высокую электрическую прочность (150…200В), возникает опасность необратимого пробоя этого слоя статическим зарядом, который может быть передан на затвор при обращении с ИС. С целью защиты транзисторов от пробоя каждый вход ЛЭ снабжают охранной цепью. На рис. 11.18 такие цепи образуют стабилитроны Д1, Д2, которые ограничивают входные напряжения на безопасных уровнях.

Как следует из 10.4.2, ключи на однотипных МОП-транзисторах имеют большое выходное сопротивление. Поэтому при введении охранных цепей возрастает паразитная емкость для нагружаемых элементов и резко падает быстродействие цифрового устройства. Это обстоятельство во многом предопределило применение МОПТЛ элементов главным образом в БИС, где, будучи в "глубинке", они не нуждаются в охранных цепях и емкости нагрузки для них малы.