4.5. Логические элементы на кмдп-ключах
На двух и более КМДП-ключах легко создать функционально полную систему логических элементов, состоящую из элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ. В дополнение к ним можно применять одиночный КМДП-ключ, т.е. логический элемент НЕ (инвертор).
В качестве примера рассмотрим двухвходовый элемент И-НЕ на двух КМДП-ключах, рис. 27. Здесь Т1 и Т2 образуют первый КМДП-ключ, а Т3 и Т4 – второй такой ключ. Нижние, n-канальные транзисторы Т1 и Т3 этих ключей соединены последовательно. Оба они открыты только когда на оба их затвора (входа) напряжения, превышающие пороговые (единицы).
y =
x1x2
(И-НЕ)
Eпит
и
T2 (p-канал)
з
c
и
c
и
з
X1
X2
c
з
з
и
T1 (n-канал)
T3 (n-канал)
c
x1 |
x2 |
y |
0 0 1 1 |
0 1 0 1 |
1 1 1 0 |
Рис. 27
При этом выход элемента будет подключён к земле, т.е. к узлу с нулевым потенциалом. От узла с потенциалом +ЕПИТ выход отключён, так как р-канальные транзисторы закрыты. Единица на выходе появится только когда один или оба n-канальных транзистора будут закрыты. В этом случае выход элемента будет подключён через один или оба открытых р-канальных транзистора к узлу с потенциалом +ЕПИТ.
Последовательное соединение основных транзисторов ключей обеспечивает функцию И, а инверсные свойства самих ключей функцию НЕ. Поэтому рассматриваемый элемент выполняет функцию И-НЕ.
При необходимости схему можно дополнить ещё одним или несколькими КМДП-ключами. Тем самым будут образованы ещё один или несколько дополнительных входов.
На рис. 28 изображена схема двухвходового элемента ИЛИ-НЕ. Здесь основные n-канальные транзисторы КМДП-ключей соединены параллельно. Выход будет подключен к земле если открыт хотя бы один из этих транзисторов (функция ИЛИ). Инверсные свойства ключей обеспечивают функцию ИЛИ-НЕ такого элемента.
Оба рассмотренных элемента легко превращаются в инвертор. Для этого их входы должны быть соединены. В том случае х1 = х2, вторые и третьи строки в таблицах истинности на рис. 27, 28 выпадают. Добавление инвертора на выход элемента И-НЕ превращает его в И. Добавление инвертора на выход ИЛИ-НЕ превращает его в ИЛИ. Подобным образом можно получать самые разные логические функции. Если имеющиеся логические элементы образуют функционально полную систему, то можно построить схему с любой логической функцией.
Eпит
T2(p-канал)
T4(p-канал)
T3(n-канал)
x2
x1
з
з
з
и
с
с
и
з
T1 (n-канал)
с
с
и
и
y
Рис. 28
4.6. Логические элементы на биполярных транзисторах
На рис. 29,а приведена схема простейшего двухвходового ТТЛ‑элемента И‑НЕ. В нём применяется многоэмиттерный транзистор (МЭТ), который отличается от обычного интегрального биполярного транзистора (БТ) наличием не одной, а нескольких эмиттерных областей, например двух, как на рис. 29,б. Изготовление многоэмиттерного БТ осуществляется теми же технологическими операциями, что и обычного БТ, т.е. изготовление ИС не усложняется.
В МЭТ, в отличие от обычного БТ, не один, а несколько равноценных эмиттерных переходов. Поэтому при подаче прямого напряжения на любой из этих переходов начинается инжекция неосновных носителей в базу и может быть получен активный режим или режим насыщения.
б)
а)
T2
R2
R1
МЭТ
x2
x1
y
Eпит
Рис. 29
При сигнале 0 на одном или на обоих входах ток от плюса источника питания через резистор R1 протекает через открытый переход на землю. Возможен и другой путь тока через R1 на землю – через параллельную ветвь с коллекторным переходом МЭТ и эмиттерным переходом Т2. Однако напряжение на открытом эмиттерном переходе МЭТ (около 0.7 В) недостаточно для отпирания двух последовательных переходов в параллельной ветви и поэтому тока в ней нет. Т2 закрыт, падение напряжения на R2 равно нулю, и на выходе ТТЛ‑элемента действует напряжение высокого уровня, т.е. сигнал 1.
Только при подаче на оба входа МЭТ (на все имеющиеся входы) сигналов 1 напряжение на обоих эмиттерных переходах МЭТ обратное, и они заперты. В этом случае ток от плюса источника через R1 проходит через коллекторный переход МЭТ и поступает в базу Т2. Т2 открыт, напряжение на выходе ТТЛ‑элемента близко к 0. Таким образом, работа рассматриваемого ТТЛ‑элемента описывается таблицей истинности вида:
xl |
х2 |
y |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
что соответствует логической функции И‑НЕ.
Логические элементы И‑НЕ обладают значительной универсальностью. Так, достаточно соединить между собой входы такого элемента, чтобы превратить его в инвертор, т.е. элемент НЕ. Подключив инвертор на выход элемента И‑НЕ, получаем функцию И‑НЕ‑НЕ = И.
Большим недостатком простейшего ТТЛ‑элемента вида рис. 1,а является низкая нагрузочная способность.
Рассмотрим, например, работу такого элемента в условиях нагрузки с сопротивлением Rн (рис. 30,а). При закрытом Т2 напряжение на выходе высокого уровня U1вых составляет только часть напряжения источника питания:
(10)
По мере уменьшения сопротивления нагрузки Rн напряжение U1вых уменьшается и может оказаться недостаточно большим для надежной работы последующих элементов.
Eпит
Eпит