3.2 Логические элементы на комплементарных транзисторах с изолированным затвором (кмоп)

Основу этих логических элементов составляет пара комплементарных МДП транзисторов с индуцированными каналами, т. е. транзисторов с идентичными параметрами, но с разным типом проводимости каналов. Схема инвертора на КМОП транзисторах представлена на рис. 4.

Рисунок 4. Инвертор на КМОП-транзисторах

Сток выходного n-канального транзистора Т1 соединен с выходом элемента, его исток – с корпусом. В нагрузочном p-канальном транзисторе Т2 сток также соединен с выходом, а исток – с питанием. Вход инвертора соединен с затворами обоих транзисторов. При высоком напряжении на входе (соответствующем логической единице) n-канальный транзистор открыт и имеет малое сопротивление. Нагрузочный транзистор Т2, наоборот, закрыт и имеет высокое сопротивление. Напряжение питания перераспределяется в соответствии с сопротивлениями, поэтому на выходе устанавливается низкий уровень напряжения.

При низком напряжении на входе (соответствующем логическому нулю) закрыт транзистор Т1 и открыт транзистор Т2. Поэтому выходное напряжение равно напряжению на закрытом транзисторе, т. е. соответствует логической единице.

Поскольку в статических режимах всегда один из транзисторов закрыт, то ток через элемент крайне мал (в современных схемах это доли нА). Это, разумеется, относится к случаю, когда нагрузка также потребляет малые токи, т. е. тоже представляет собой элемент серий КМОП. Мощность, потребляемая таким элементом от источника питания, ничтожно мала (меньше 1 мкВт).

Примеры решения задач

Пример 1. В схеме ТТЛ 2И-НЕ со сложным инвертором (рис. 2) R₁ = 4 кОм; R₂ = 1,5 кОм; R₃ = 1 кОм; R₄ = 100 Ом; коэффициент передачи тока транзисторов h_21э = 40. Входные сигналы отвечают высокому уровню напряжения U_вх1 = U_вх2 = 3 В. Напряжение питания U_п = 5 В. Нагрузкой схемы служат 8 таких же элементов, соединенных параллельно. Определить коэффициент насыщения выходного транзистора VT3. Считать, что для открытого транзистора U_бэ = 0,7 В, U_{кэ нас} = 0,2 В.

Решение.

Так как напряжение на эмиттерах транзистора VT1 равно 3 В, а на его базе не больше, чем 2,1 В (максимальное напряжение на трех открытых переходах), то эмиттерные переходы VT1 закрыты. Поэтому транзистор VT1 работает в инверсном режиме. Ток I₁, проходящий через R₁ от U_п, проходит через коллекторный переход в базу транзистора VT2, т. е.

I₁ = I_к1 = I_б2. (31)

Транзистор VT2 переходит в насыщение. Следом в насыщение переходит транзистор VT3. Его базовый ток – это ток эмиттера VT2 за вычетом тока через резистор R₃, т. е.

I_б3 = I_э2 – I₃, (32)

или

I_б3 = I_б2 + I_к2 – I₃. (33)

С учетом (31)

I_б3 = I₁ + I_к2 – I₃. (34)

При вычислении тока I_к2 учтем, что он равен току I₂ через резистор R₂, поскольку транзистор VT4 закрыт и базовый ток I_б4 равен нулю. Тогда

I_б3 = I₁ + I₂ – I₃. (35)

Если принять, что потенциал U_б1 = 2,1 В, U_б3 = U_э2 = 0,7 В, U_к2 = U_э2 + U_кэ.нас = 0,9 В. Тогда I₁ = 0,725 мА; I₂ = 2,733 мА; I₃ = 0,7 мА и I_б3 = 0,725 + 2,733 – 0,7 = 2,76 мА.

Коэффициент насыщения транзистора VT3 определяется по формуле

(36)

где ‑ минимальный базовый ток при котором транзистор переходит в насыщение,

Таким образом, для определения коэффициента насыщения транзистора VT3 нужно знать коллекторный ток транзистора VT3 I_К3. Так как транзистор VT4 и диод VD закрыты, ток в коллектор VT3 течет только из восьми нагрузок, подключенных параллельно:

I_К3 = 8I_нi.

Для определения тока нагрузок I_нi учтем, что вход каждого нагрузочного элемента подключен к выходу данного элемента, т. е. на входе каждой нагрузки U_вх.i = 0,2 В. Тогда ток

I_К3 = 81,025 = 8,2 мА.

Пример 2. Сопротивление транзисторов (рис. 5) в открытом состоянии составляет 200 Ом, в закрытом – 40 кОм. Определить потенциал на выходе инвертора и ток через нагрузку, если нагрузка сопротивлением 400 Ом подключена между выходом элемента и клеммой U_п; U_п = 5 В. Напряжение на входе соответствует уровню логического нуля, т. е. X = 0.

Рисунок 5. Схема подключения нагрузки к инвертору

Решение.

По первому правилу Кирхгофа

I₁ = I₂ + I_н. (37)

Это уравнение можно представить в виде:

(38)

где R₁ – сопротивление транзистора Т1, R₂ – сопротивление транзистора Т2.

Если напряжение на входе соответствует уровню логического нуля, то транзистор Т2 открыт, его сопротивление равно R₂ = 200 Ом, транзистор Т1 закрыт, его сопротивление равно R₁ = 40 кОм. Выходное напряжение соответствует высокому уровню логической единицы . Это напряжение получим из (38):

Соответствующий этому напряжению ток нагрузки равен

мА. (39)