Конструктору, разработчику / Вводный курс цифровой электроники

4.4' Вентили

лей, особенно в тех случаях, когда требуются переключатели с мно­ гими входами. Пример показан на рис. 4.12. На схемных обозначе­ ниях вентилей выход с открытым коллектором, соответствуюш;ий рис. 4.11, обозначен подчеркнутыми ромбами. Аналогично биполяр­ ным схемам в схемах на полевых транзисторах возможен и выход с открытым стоком, но он употребляется редко.

Хз

Рис . 4.12. Схемные обозначения для двух И — вентилей с выходами на основе открытых коллекторов.

4.4.2.Вентиль с тремя состояниями

Втех случаях, когда из соображений экономии используют один кабель для взаимной передачи информации между многими пере­ датчиками, часто применяют системы с шинами. Для того, чтобы выходы нескольких блоков подсоединить к одной шине, необходимо обеспечить отключение от шины неактивных блоков, т. е. сделать их выход высокоомными. Этого добиваются с помош;ью особой схемы, которую именуют «схемой с тремя сторонами», или {three-state^ сокраш,енно TS). Если несколько выходов схем «с тремя состояниями» работают совместно с одной шиной, то в каждый момент времени может быть разрешен («enable») только один выход, другие должны оставаться в отключенном (высокоомном) состоянии.

На рис. 4.13 показана схема, в которой оба выходных переключа­ теля могут быть одновременно переведены в высокоомное состояние с помош;ью enable — сигнала (то есть «разрешаюш;его» сигнала) Е. Логический символ представлен с индикацией зависимости, которая позднее будет объяснена подробнее. Сокращение Е^ со стояш;ей за ней цифрой 1 означает, что выход, помеченный цифрой 1, управля­ ется входом Еп- При наличии нескольких выходов все, помеченные цифрой 1, управляются enable — входом. Треугольник означает вы­ ход с тремя состояниями.

Enl

Рис . 4.13. Схема с тремя состояниями. Слева: принципиальная схема с да­ ющим разрешение (enable) Е и входным сигналом х. Справа: логический символ.

На рис. 4.14 в качестве примера показаны три двунаправленных ин­ терфейса, работаюпщх с одной шиной, к которой может быть подклю­ чено большое количество подобных интерфейсов. Интерфейс п мо­ жет быть включен с помош;ью £"^1 = 1 на передачу. Но при этом необ­ ходимо обеспечить отключение остальных интерфейсов. Принимать каждый интерфейс может независимо от других. Таким образом, величина потенциала в шине устанавливается одним передатчиком.

Рис . 4.14. три двунаправленных интерфейса с выходами типа Т5, которые сообщаются через одну шину.

4.5. Упражнения

Задача 4.1.

а) Упростите представленную ниже схему.

б) Представьте символические обозначения логических элемен­ тов, соответствующие положительной и отрицательной логике.

4.5. Упраоюнения

i ' /

U

а _ г-^ &

и

и

Задача 4.2.

Для следующих схем дайте диаграмму уровней и таблицы ис­ тинности для положительной и отрицательной логике аналогично табл. 4.2.

ГЛАВА 5

СХЕМОТЕХНИКА

В цифровых логических переключательных схемах транзисторы ис­ пользуются как переключатели. Их задача заключается в том, что­ бы замыкать или размыкать цепь для протекания тока. Поэтому в идеальном случае они должны переключаться из положения корот­ кого замыкания во включенном состоянии, в положение с бесконечно большим сопротивлением в выключенном состоянии. Кроме того, в соответствии с рис. 4.6 они должны при определенном пороговом на­ пряжении Us осуп1;ествлять резкое переключение. Однако реальные транзисторы выполняют эти задачи неполно. В следующих пара­ графах обсуждаются обп];еупотребительные технологии логических переключательных схем и их свойства.

5.1. КМОП

Наиболее часто применяемой технологией логических переключа­ тельных схем является КМОП-технология (КМОП = комплиментар­ ная структура металл-окисел-полупроводник).

Применяемые полевые транзисторы (ПТ) имеют то преимуш;е- ство что, их затвор изолирован оксидом, и поэтому в статическом состоянии ток на входе не протекает. В табл. 5.1 представлены схе­ мы переключателей, переходные и выходные характеристики гг-ка- нального и р-канального МОП-ПТ обогащенного типа. МОП-ПТ с каналами пир типа называют также N-МОП и Р-МОП транзисто­ рами.

На переходных характеристиках показано пороговое напряже­ ние Uth^ при котором транзистор начинает проводить (th — thresh­ old, порог). Uth У N-MOn транзисторов положительно, а у Р-МОП транзисторов отрицательно.

Как видно из переходных характеристик, N-MOH транзистор вклю­ чен при положительных напряжениях затвор-исток Ugs более высоких, чем Uth' Р-МОП транзистор включается при напряжениях затвористок Ugs, более отрицательных, чем пороговое напряжение Uth- Можно, однако, видеть что, характеристика в области перехода от выключенного к включенному состоянию, является нелинейной.

5.L КМОП 65

Таблица 5.1. Характеристики N-МОП и Р-МОП транзисторов.

hi

м

UDS

Ток стока N-МОП транзисторов положителен, в то время как у Р-МОП транзисторов он отрицателен. Поэтому транзисторы со­ единяют в схему, объединяя стоки обоих транзисторов так, как это показано на рис. 5.1. Затворы обоих транзисторов соединяют меж­

ду собой, так что Ugs^NMOS) = Ue и Ugs(PMOS) = UeVDD- За счет правильного выбора Uth и VDD обеспечивается, стационарные со­ стояния, при которых всегда один из транзисторов выключен, а другой — включен. Полученная схема работает как инвертор, так как при С/е = ОВ N-MOn транзистор выключен, а Р-МОП тран­ зистор проводит. Отсюда Ua = VBD- Напротив, при Ue — VBD Р-МОП транзистор выключен и N-МОП транзистор проводит, так что С/д = ОВ. Поэтому структура электронной схемы соответствует инвертору на рис. 4.10.

Схема также применяется как цифровой усилитель. В этом слу­ чае, ее обозначают как буфер. Кроме того, она образует основу }\ш базовых цифровых КМОП-вентилей NAND (НЕ-И) и NOR (НЕИЛИ). Для оценки качества вентилей важной является передаточная характеристика Ua — f{Uc)- Как можно видеть из рис. 5.2, переда­ точная характеристика КМОП-вентилей почти идеальна, поскольку она резко изменяется от одного состояния сигнала к другому.

Глава 5. Схемотехника

QVDD

UGS(PMOS)

Рис. 5.1. КМОП-инвертор.

и.

Vnn=\SB

Рис. 5.2. Передаточные характеристики КМОП-инверторов при напряже­ ниях питания 5 В и 15 В.

5.1.1.Нагрузочная способность

Под нагрузочной способностью [fan-out) понимают коэффициент разветвления на выходе логического элемента, то есть количество вентилей, подсоединяемых к выходу. Как правило, к выходу одного вентиля подключается несколько входов других вентилей. К стан­ дартному КМОП-вентилю может быть подключено большое число (например, 50) входов стандартных вентилей, что является след­ ствием чисто емкостного характера входа КМОП вентиля. При опи­ сании говорят, что КМОП-вентиль имеет коэффициент нагрузки по выходу, или fan-out, например 50. Но при такой емкостной нагрузке выхода как будет показано ниже повышается время переключения.

5Л. КМОП

5.1.2. Основные схемы NAND и NOR

Основные КМОП-схемы образуются из инвертора путем подсоеди­ нения к N-MOn и Р-МОП-транзистором еще одному транзистору последовательно или параллельно. Таким образом, получают схему NAND или NOR (рис. 5.3). В схеме NOR, представленной на рис. 5.3, выходной сигнал у соответствует уровню L всякий раз, когда один из входов соответствует уровню Н^ поскольку тогда, по крайней мере, один из п-канальных ПТ проводит заперт и, по крайней ме­ ре один из р-канальных ПТ. Напротив, в схеме NAND у находится на уровне L только тогда, когда оба входа находятся на уровне Н. В этом случае п-канальные ПТ проводят, а р-канальные ПТ нахо­ дятся в запертом состоянии.

Хо

Ь>-

х\ а и Х\

^

Рис. 5.3. Основные КМОП-вентили: слева — NOR, справа — NAND.

Структура реального КМОП-вентиля показана на рис. 5.4. Схе­ ма может быть расчленена на четыре части:

1.Входная схема защиты должна препятствовать разрушению вентиля статическим электричеством. Верхние диоды предна­ значаются ^ля напряжений, которые превышают рабочее на­ пряжение, и они включены в проводяп1;ем направлении. Ниж­ ние диоды предназначаются р^ля напряжений, которые явля­ ются отрицательными.

2.Входной буфер уменьшает сдвиг входного уровня последова­ тельно включенных ПТ (особенно у вентилей с более чем с двумя входами.

68Глава 5. Схемотехника

3.Собственно логический вентиль, генерирующий логическую функцию.

4.Выходной драйвер, улучшающий передаточную характеристи­ ку, уменьшающий обратное воздействие выхода на вход и по­ вышающий нагрузочный ток.

с многосторонним применением. Инвертор, состоящий из Тз и Т4, формирует сигналы для собственно передаточного вентиля, состо­ ящего из Ti и Г2. если на вход S инвертора подан сигнал i/, то к Т2 приложен высокий потенциал, а к Ti потенциал L. Поскольку Ti и Т2симметричны относительно стока и истока, оба транзисто­ ра включены и передаточный вентиль проводит. И наоборот, при подаче низкого (low) уровня на вход инвертора Ti и Т2 выключе­ ны и передаточный вентиль закрыт. Благодаря применению п- и р-канальных ПТ схема является симметричной.

Передаточный вентиль может быть применен, например, р,ля при­ соединения к шине в качестве переключателя с тремя состояния-

5,1. К МОП

ми TS. Он используется также для более эффективной реализации логических вентилей [12].

XI

1

S о^

Рис . 5.5. Передаточный КМОП-вентиль и логический символ.

На логическом символе управляющий вход отмечен знаком х1, который указывает на то, все входы и выходы, обозначенные ци­ фрой 1, связаны между собой, когда на обозначенном через х1 входе имеет место 1.

5.1.4. Элемент с тремя состояниями

Элемент с тремя состояниями в КМОП-варианте может быть вы­ полнен, например, с двумя дополнительными транзисторами, кото­ рые в зависимости от состояния входа или проводят или находятся высокоомном состоянии. Подобная схема показана на рис. 5.6.

5.1.5.Специфические свойства КМОП

•Неиспользуемые выходы должны быть соединены с корпусом (то есть с землей), VDD ИЛИ С используемым входом, иначе потенциал на них будет неопределенным.

•Эффект «защелкивания» (latch-up) может привести перегрузке схемы. При этом в КМОП-инверторе включается паразитный тиристор. Этот эффект возникает при больших токах и при высокой температуре окружающей среды.

•КМОП-схемы очень чувствительны, несмотря на входную схе­ му защиты, к статическому электричеству.

Глава 5. Схемотехника

• КМОП-вентили могут быть, в отличие от ТТЛ-вентилей, со­ единены параллельно как со стороны входа, так и со стороны выхода. Поскольку при возрастающей температуре ток стока падает, при параллельном включении на выходе транзистор с более высоким током нагрузки имеет тенденцию к уменьше­ нию тока нагрузки. Вследствие этого, КМОП вентили при па­ раллельном включении становятся термически стабильными.

Ь)

Еп EN1

1 I V

С)

Рис . 5.6. Вентиль с тремя состояниями на основе КМОП. а) схема б) та­ блица истинности с) логический символ

•КМОП блоки имеют очень большой коэффициент разветвле­ ния по выходу, поскольку входы вентилей очень высокоомны. При больших коэффициентах разветвления (fan-out) время на­ растания и время спада импульса сильно возрастает, как это будет показано ниже.

•Фронты импульсов, используемых для управления КМОП-вен- тилями, должны иметь возможно большую крутизну. При мед­ ленном переключении выходные транзисторы слишком долго находятся в проводящем состоянии, что вызывает тепловые проблемы. Кроме того, КМОП схемы в момент переключения очень чувствительны к помехам, что может привести к оши­ бочным переключениям.