Экзамен микроэлектроника / Лекции / 15. Логические элементы на МДП транзисторах

Логические элементы на МДП транзисторах

В современной цифровой схемотехнике помимо биполярных широко применяются и полевые транзисторы. Наибольшее распространение получили транзисторы МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) ил МОП (металл-оксид-полупроводник). Их основное преимущество в том, что полярности и уровни входных и выходных напряжений совпадают, давая возможность использовать непосредственные связи.

Ключи на МДП транзисторах могут быть трех типов: с резистивной нагрузкой, с динамической (нелинейной) нагрузкой и комплементарные (взаимодополняющие).

Рассмотрим по очереди все три типа.

Ключ с резистивной нагрузкой. Схема ключа на n-канальном транзисторе приведена на рисунке:

Для запирания ключа на затвор подается напряжение , где – пороговое напряжение, характерная точка, отделяющая пологий и крутой участки выходной характеристики МДП транзистора. Эта величина зависит от напряжения на затворе. В запертом состоянии остаточный ток – это обратный ток стокового p-n перехода и составляет не более . На выходной характеристике запертому состоянию соответствует точка А.

При указанных значениях остаточного тока напряжением на резисторе при таком т оке можно пренебречь и считать что на стоке в этот момент напряжение .

Для отпирания ключа на затвор подается напряжение . Это напряжение должно быть достаточно большим, чтобы остаточное напряжение на стоке было как можно меньше (точка В). В этом случае рабочий ток открытого ключа определяется так же как и у биполярного транзистора – внешними элементами цепи:

Рабочая точка в этом режиме лежит на линейном участке характеристики. Поэтому остаточное напряжение можно записать:

где – удельная крутизна, определяемая геометрией транзистора, т.е. отношением ширины к длине канала. Если принять и , то . Такое значение остаточного напряжения сравнительно велико, а пути дальнейшего его уменьшения ограничены, поскольку увеличение сопротивления в цепи стока и удельной крутизны приводит к увеличению площади, что недопустимо в интегральном исполнении. С другой стороны МДП транзисторы, в отличие от биполярных позволяют сколь угодно уменьшать остаточное напряжение, увеличивая напряжение питания и сопротивление .

Ключ с нелинейной нагрузкой.

Схема такого ключа, выполненного на однотипных транзисторах, приведена на рисунке:

Роль нелинейной нагрузки здесь выполняет транзистор , у которого затвор соединен со стоком и который, следовательно, является двухполюсником. В этой схеме транзистор называют нагрузочным, а транзистор – активным. Вольт-амперную характеристику можно получить из следующих соображений. Поскольку при соединении затвора со стоком получается , то очевидно справедливо неравенство: . Это неравенство означает, что транзистор работает на пологом участке характеристики. Для этого участка действительна формула: . Подставим в неё и запишем уравнение ВАХ динамической нагрузки в виде:

В запертом состоянии активного транзистора остаточный ток имеет такое же значение и максимальное напряжение на выходе близко к напряжению питания.

В открытом состоянии активного транзистора, когда на затвор подано напряжение рабочая точка В лежит на квазилинейном участке характеристики активного транзистора . Остаточное напряжение в этой точке, как обычно, мало. Поэтому питающее напряжение можно считать полностью приложенным к нагрузочному транзистору. Тогда ток насыщения определяется из предыдущей формулы, если положить :

Умножая ток насыщения на сопротивление канала, и полагая, что , получаем остаточное напряжение в виде:

Пороговые напряжения здесь для простоты анализа примем одинаковыми. В интегральных схемах различие неизбежно из-за различия напряжений между истоками и общей подложкой.

Поскольку на практике всегда выполняется условие , нетрудно сделать вывод о том, что для того, чтобы остаточное напряжение было мало, в ключе с динамической нагрузкой должно выполняться условие , т.е. транзисторы должны существенно отличаться. Технологически вполне возможно обеспечить в пределах от 50 до 100. Остаточное напряжение при этом будет в пределах 50-100мВ.

Комплементарный ключ. Схема ключа приведена на рисунке ниже. Пусть в исходном состоянии управляющее напряжение . Тогда . Значит, n-канальный транзистор заперт, а p-канальный транзистор открыт. Ток в общей цепи определяется запертым транзистором и равен остаточному току. Открытый транзистор , как и в предыдущем случае, работает на квазилинейном участке характеристики. Умножая остаточный ток запертого транзистора на сопротивление канала открытого транзистора, и полагая, что , получаем напряжение на открытом транзисторе : .

Если принять и , то .

Если теперь управляющее напряжение примет положительное значение , то наоборот n-канальный транзистор окажется открытым, а p-канальный – закроется. При этом ток в общей цепи по-прежнему останется на уровне остаточного тока, хотя транзисторы и поменяются местами.

Таким образом, важнейшей особенностью КМОП схем, является то, что они практически не потребляют мощности в обоих состояниях. Соответственно эти два состояния можно считать открытым и закрытым только по отношению к одному транзистору.

Устойчивые состояния различаются весьма четко по уровню выходного напряжения – единицы микровольт до уровня . Малые остаточные напряжения являются ещё одним важнейшим преимуществом КМОП схем.

Если же напряжение питания превышает сумму пороговых напряжений обоих транзисторов, то имеется интервал управляющих сигналов в котором оба транзистора открыты. Тогда общий ток в цепи будет иметь конечное значение, которое может быть очень большим. Однако, для КМОП схем типичны низкие напряжения, не превышающие сумму пороговых напряжений.

6