Компьютерная Схемотехника |
2012 |
БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ n-МОП И КМОП
ЛОГИЧЕСКИЕ
КОМБИНАЦИОННЫЕ
СХЕМЫ
ХНУРЭ, факультет КИУ, каф ЭВМ, Тел. 70-21-354. Доц. Торба А.А.
Компьютерная Схемотехника |
2012 |
ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ ЛЕКЦИИ
•БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ n-МОП
•ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ КМОП
•ЛОГИЧЕСКИЕ КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ
•СУММАТОРЫ
•СОСТЯЗАНИЯ (ГОНКИ) В ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМАХ
•ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОДОВ, ДЕШИФРА-ТОРЫ
•МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ И ДЕМУЛЬТИПЛЕК- СОРЫ
БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ n-МОП
В последнее время большое распространение получают логические ИС на полевых транзисторах. Управление поле- вым транзистором осуществляется не током, как в биполярном транзисторе, а напряжением, т.е. электрическим полем, приложенным между входным электродом - ЗАТВОРОМ - и основной массой полупроводниковой пластины (называемой ПОДЛОЖКОЙ), в которой реализован КАНАЛ прохождения тока от электрода ИСТОК к электроду СТОК.
|
затвор |
|
|
с |
исток |
окисел |
сток |
з |
|
|
канал (n-типа) |
|
п |
|
|
подложка (р-типа) |
|
||
|
|
и |
||
|
|
|
|
|
В большинстве схем подложка электрически соединяется с истоком. Поэтому можно говорить, что входное напряжение подается между затвором и истоком.
Существует некоторая аналогия в работе биполярного и полевого транзистора. Затвор играет роль управляющего электрода (как в биполярном транзисторе - база). Роль истока аналогична эмиттеру, а со стока снимается выходное напряжение (как с коллектора у биполярного транзистора).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+Е |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|||||
Uвх |
|
|
|
|
|
|
Uвых |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
з |
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Сн |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. приведена схема простейшего электронного ключа на полевом транзисторе с каналом проводимости n-типа по схеме с
общим истоком. Питающее напряжение (+Е) положительной полярности приложено к стоку через резистор нагрузки R.
Металлический затвор изолирован от канала тонкой изоляционной пленкой окиси кремния. Ток во входной цепи не течет. Поэтому основной статической характеристикой такого ключа является передаточная характеристика.
Uвых |
∆Uвх |
|
|
|
|
U1вых=+Е |
А |
|
|
|
|
|
С |
∆Uвых |
|
|
|
|
В |
U0вых |
|
|
|
0 |
U′ Uпор U″ |
+Е Uвх |
При нулевом входном напряжении (Uвх=0) канал имеет очень большое сопротивление и на выход ключа подается напряжение питания через резистор R. Выходное напряжение логической единицы (U1вых) равно напряжению питания +Е.
При увеличении входного напряжения выше U' сопротив- ление канала постепенно уменьшается и на выход подается часть напряжения источника питания с делителя, образован- ного сопротивлением канала и резистором R (участок А-В). Сопротивление канала не может уменьшиться до нуля. При входном напряжении выше U" сопротивление канала достигает минимальной величины, и дальнейшее увеличение входного напряжения не влияет на сопротивление канала.
Величины U', U" и Rкмин определяются технологиче- скими параметрами: степенью легирования канала, степенью шероховатости поверхности канала, геометрическими размерами канала; а также напряжением питания электрон- ного ключа.
На участке А-В, т.е. при входном напряжении от U' до U" электронный ключ работает как аналоговый усилитель с коэффициентом усиления
Ku=∆Uвых/∆Uвх.
Точка пересечения передаточной характеристики с биссектрисой первого квадранта (точка С) определяет пороговое напряжение Uпор электронного ключа.
Переходные процессы в электронных ключах на полевых транзисторах определяются временем перезаряда паразитного конденсатора нагрузки Сн через сопротивление открытого канала Rкмин или через резистор R (который на порядок больше) при закрытом канале.
Поэтому быстродействие таких логических схем относительно невелико при средних уровнях потребляемой мощности на один ключ.
Единственное преимущество логических ключей на n- МОП структурах - минимальные габариты. При ограниченной площади кремниевой пластины на ее поверхности можно разместить максимальное количество таких
логических элементов.
Электронный ключ КМОП
Значительно лучшими параметрами обладают электронные ключи, выполненные на полевых транзисторах с взаимно дополняющей проводимостью n- и p-типа. Этим объясняется название ключей
- КМОП (буква К - от слова комплиментарный, дополнительный).
|
|
|
|
|
з |
|
и |
VT2 |
|
|
+Е |
|
|
|||||||
Uвх |
|
|
|
|
|
|
с |
Uвых |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и VT1 |
|
|
|
|
Сн |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электронный ключ на полевом транзисторе с каналом n-типа VT1 в качестве нагрузки имеет полевой транзистор VT2 с каналом p-типа. Поскольку схема симметричная, то можно говорить, что ключ на транзис- торе p-типа VT2 в качестве нагрузки имеет полевой тран- зистор с каналом n-типа VT1.
Передаточная характеристика КМОП ключа
Uвых |
∆Uвх |
|
+Е |
А |
|
|
|
|
|
С |
∆Uвых |
|
|
В
0 U′ Uпор U″ +Е Uвх
При нулевом входном напряжении транзистор с n-каналом VT1 закрыт (сопротивление канала очень велико), а транзистор с р-каналом VT2 открыт (сопротивление канала - Rкмин), так как к его затвору относительно истока приложено напряжение источника питания. Поэтому на выходе ключа напряжение
логической единицы: U1вых=+Е.
При увеличении входного напряжения выше U' (точка А) начинает уменьшаться сопротивление канала транзистора VT1, а сопротивление канала VT2 - увеличивается. Выходное напряжение постепенно уменьшается и в конце участка А-В практически доходит до нуля (U0вых=0) при полном закрывании транзистора VT2 и уменьшении сопротивления канала транзистора VT1 до величины Rкмин.
На участке А-В оба транзистора работают в активном режиме усиления аналогового сигнала с коэффициентом усиления по напряжению:
Ku=∆Uвых/∆Uвх.
При этом оба канала имеют конечное сопротивление и через два транзистора течет сквозной ток от источника питания. С увеличением входного напряжения выше U" канал транзистора VT2 закрывается и ток через КМОП ключ от источника питания не протекает.