3.3. Кмоп-логика

Функциональное поведение логической КМОП-схемы понять довольно просто, даже если ваши знания аналоговой электроники не особенно глубоки Главным элементом в структуре логических КМОП-схем являются описываемые ниже МОП-транзисторы; чаще всего логические КМОП-схемы только из них и состоят. Но до рассмотрения МОП-транзисторов и логических КМОП-схем, мы должны погово­рить о логических уровнях.

3.3.1. Логические уровни кмоп-схем

Абстрактные логические элементы оперируют двоичными цифрами 0 и I. Однако реальные логические схемы имеют дело с электрическими сигналами в виде уров­ней напряжения. В любой логической схеме имеется диапазон напряжений (или другие состояния схемы), соответствующий логическому 0, и другой, не перекры­вающийся с ним диапазон напряжений, соответствующий логической I.

Типичная логическая КМОП-схема работает от 5-вольтового источника пита­ния. Такая схема может интерпретировать любое напряжение в диапазоне О-1.5 В как логический 0 и напряжение в диапазоне 3.5-5.0 В - как логическую 1. Таким образом определяются низкий уровень и высокий уровень для 5-вольтовой КМОП-логики (рис. 3.6) Не предполагается, что напряжение окажется в промежуточной области (1.5-3.5 В), кроме интервалов времени, когда сигнал переходит от одного уровня к другому; в противном случае логические значения будут не определены (то есть схема может интерпретировать их и как 0, и как 1). У КМОП-схем с другими напряжениями питания - например, 3.3 или 2.7 вольта - имеется аналогичное разделение диапазонов напряжений.

Р ис. 3.6. Логические уровни для типичных логических КМОП-схем

3.3.2. МОП-транзисторы

М ОП-транзистор можно представить как устройство с 3 выводами, которое дей­ствует подобно управляемому напряжением резистору. Как изображено на рис. 3.7, напряжение, приложенное ко входу, изменяет сопротивление между нижним и верхним выводами. В логических схемах МОП-транзистор работает так, что его сопротивление всегда либо очень велико (при этом транзистор «закрыт»), либо очень мало (при этом транзистор «открыт»).

Рис. 3.7. Представление МОП-транзистора в виде резистора, сопротивление которого зависит от управляющего напряжения

Существуют два типа МОП-транзисторов: с л-каналом и с /?-каналом; названия определяются типом полупроводникового материала, использованного в качестве управляемого резистора. Условное обозначение МОП-транзистора с каналом п-типа [пМОП-транзистор; n-channel MOS (NMOS) transistor] приведено на рис. 3.8. Выводы имеют следующие названия: затвор (gate), исток (source) и сток (drain). Глядя на условное обозначение транзистора, можно догадаться, что в нор­мальных условиях потенциал стока выше п отенциала истока.

Рис. 3.8. Условное обозначе­ние МОП-транзистора с кана­лом п-типа

Н апряжение между затвором и истоком (Vgs) у МОП-транзистора с каналом п-типа обычно равно нулю или положительно. Если Vgs = 0, то сопротивление между стоком и истоком (Rds) очень велико и составляет, по крайней мере, мегаом (10⁶ Ом) или больше. По мере увеличения Vgs (то есть с увеличением напряжения на затворе) Rds уменьшается до очень малого значения порядка 10 Ом, а у некоторых транзисторов и меньше.

Условное обозначение МОП-транзистора с каналом р-типа [рМОП-транзис-mop; p-channelMOS(PMOS) transistor] приведено на рис. 3.9.

Его функционирование аналогично работе МОП-транзистора с каналом n-типа, за исключением того, что обычно исток имеет более высокий потенциал, чем сток, а Vgs равно нулю или отрицательно. Если Vgs равно нулю, то сопротивление между истоком и стоком (Rds) очень велико. С уменьшением Vgs (когда напряжение на затворе становится все более отрицательным) Rds уменьшается, принимая в конце концов очень малое значение.

Затвор МОП-транзистора называют изолированным, поскольку он отделен от истока и стока изолирующим материалом, имеющим очень большое сопротивле­ние. Тем не менее, напряжение на затворе создает электрическое поле, которое увеличивает или уменьшает ток, текущий от истока к стоку. Этот «полевой эф­фект» дал название транзистору —«полевой транзистор».

По этой причине, независимо от напряжения на затворе, никакой ток практи­чески не течет от затвора к истоку или от затвора к стоку. Сопротивления между затвором и другими выводами очень велики, намного больше мегаома. Ток, протекающий по этим сопротивлениям, очень мал, обычно меньше одного микроам­пера (мкА, 10"⁶ А), и называется током утечки (leakage current).

Само условное обозначение МОП-транзистора напоминает нам, что между затвором и двумя другими выводами нет никакого соединения. Однако изображе­ние МОП-транзистора наводит на мысль, что затвор имеет емкостную связь с ис­током и стоком. В быстродействующих схемах мощность, расходуемая при заряде и разряде этих емкостей при каждом изменении входного сигнала, составляет за­метную долю потребляемой схемой мощности.