3.2.5 Логические элементы на мдп-структурах

Логические элементы на транзисторах с одним типом индуцированного канала n-типа изображены на рисунках 3.21,а, б, в.

В логическом элементе 2И-НЕ, схема которого изображена на рисунке 3.21, б, в отличие от схемы логического элемента 2ИЛИ-НЕ, изображенной на рисунке 3.21, а, выходное напряжение U⁰ пропорционально числу обрабатываемых переменных увеличивается. Поэтому запас по управляющим напряжениям закрывания и открывания переключающих транзисторов изменяется, и эта зависимость ограничивает допустимое число логических входов схем И на уровне 3–5. Логический элемент ИЛИ-НЕ (см. рис. 3.21, а) не имеет названных недостатков, но имеет недостатком пропорциональное числу переменных увеличение емкости выходной цепи и соответственно пропорциональное увеличение длительности фронтов переключения (3.12). В схеме изображенной на рисунке 3.21, в, предусмотрена расширенная логическая обработка по отношению 2И-ИЛИ-НЕ. Как и в инверторе, в приведенных схемах логических элементов отдельный источник смещения затвора нагрузочного транзистора VT1 может регулировать уровень нелинейности его как резистора нагрузки. Снижению нелинейности при этом сопутствует сокращение длительности фронтов, особенно при заряде выходной емкости. Применение в качестве нагрузочного транзистора со встроенным каналом, хотя и обеспечивает снижение нелинейности сопротивления, усложняет технологию производства элементов из-за разнородности транзисторов и вносит определенные ограничения в выбор этого решения.

Схемные построения логических элементов на транзисторах с разным типом канала изображены на рисунках 3.22,а, б, в. Как видно по рисунку 3.22, количество необходимых транзисторов при выполнении логических элементов увеличивается в нагрузочной цепи пропорционально числу входных переменных элемента. Вследствие этого габариты логических элементов, исполняемых по КМДП-технологии, наряду с увеличением площади на применение охранных колец дополнительно повышаются из-за увеличения числа нагрузочных транзисторов. К названным недостаткам следует отнести пропорциональное понижение запасов по открыванию или закрыванию переключающих и нагрузочных транзисторов для КМДП при увеличении числа логических входов и для схем ИЛИ (элемент 2ИЛИ-НЕ на рис. 3.22, а), и для схем И (элемент 2И-НЕ на рис. 3.22, б) и для композиций входов (элемент 2И-ИЛИ-НЕ на рисунке 3.22, в). На выходах логических элементов технологии КМДП число объединяемых стоковых цепей увеличивается пропорционально числу сигнальных входов элемента и для логических элементов ИЛИ, и для элементов. Поэтому и время переключения выхода элементов также увеличивается пропорционально числу его сигнальных входов. Фактором, определяющим применяемость КМДП-элементов, является низкое энергопотребление на низких частотах переключения элементов. Типовые эначения задержки переключения КМДП логических элементов равны (20–50) нС, что сопоставимо с со значениями для ТТЛ-элементов. При емкостях нагрузки более (5–10) пФ и частотах переключения более (1–2) МГц КМДП переключатели уступают ТТЛ-переключателям и по быстродействию и сопоставимы с ними по энергопотреблению.

Работа переключения МДП-элементов с квазилинейной нагрузкой (нагрузочный и переключающий транзисторы с каналом одного типа проводимости) при емкости нагрузки менее 5пФ составляет около (30–50) пДж. По этому показателю элементы МДП уступают ТТЛ- и ЭСЛ-элементам и тем более уступают элементам ТТЛШ и И²Л.