Базовые элементы КМОП
.docМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра автоматизации производственных процессов
Г.Г. Ордуянц
В.Я. Тойбич
Базовые элементы КМОП
(комплементарные металл-окисел-полупроводник)
Методические указания по дисциплине
«Технические средства автоматизации»
для студентов III курса спец. 2102.14
очной и заочной форм обучения
Екатеринбург
2002
Печатаются по рекомендации методической комиссии
факультета ЛИФ УГЛТУ
Протокол № 47 от 18.01.02
Рецензент доцент В.Е. Выборнов
Редактор Т.В. Давлятова
Подписано в печать Поз. 19
Плоская печать Формат 60х84 1/16 Тираж 50 экз.
Заказ № Печ. л. 0,7 Цена 1руб. 80коп.
Редакционно-издательский отдел УГЛТУ
Отдел оперативной полиграфии УГЛТУ
Для построения любых цифровых микросхем КМОП используются элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, НЕ и коммутативный ключ (КК). С помощью КК реализуются выходы с третьим состоянием очень большого выходного импеданса Z.
Для КМОП-схем допускается изменение напряжения питания в широких пределах. Подавляющее большинство их устойчиво работает в диапазоне от +3 В до +15 В. Это обстоятельство, а также ничтожный потребляемый ток (КМОП-элемент в устойчивом состоянии потребляет всего несколько микроампер) способствуют применению КМОП-схем в устройствах с батарейным питанием.
A |
B |
Q |
O O I I |
O I O I |
I I I O |
б
Рассмотрим элемент И-НЕ, схема и таблица истинности которого представлены на рис.1.
Рис.1. а – принципиальная схема элемента И-НЕ;
б – таблица истинности
Когда на выходы А и В поданы напряжения высокого уровня, транзисторы VT1 и VT2 будут открыты, а VT3 и VT4 закрыты, поэтому на выходе Q окажется напряжение низкого уровня (логический 0). Эта ситуация соответствует четвертой строке таблицы истинности. Если на вход А или В поступает хотя бы один низкий уровень, один из каналов
3
VT3 или VT4 оказывается замкнутым и на выходе Q появляется напряжение логической единицы (первые три строчки таблицы истинности).
На рис.2 приведена цоколевка многовходовых элементов И-НЕ.
К561ЛА7 К561ЛА9 К561ЛА8 1564ЛА2
Рис 2. Многовходовые элементы И-НЕ
Для получения функции И к выходу элемента И-НЕ следует добавить инвертор или использовать готовые схемы, которые приведены на рис.3.
КР1561ЛИ2 1564ЛИ3 К176ЛИ1
Рис.3. Логические элементы И
Устройство базового элемента ИЛИ-НЕ и таблица истинности показаны на рис. 4. При совпадении низких входных уровней на входах А и В на выходе Q будет логическая единица, т.к. в этот момент замыкаются транзисторы VT1 и VT2, а VT3 и VT4 остаются разомкнутыми. Если на входах А и В присутствует хотя бы один высокий уровень, то открывается один из транзисторов VT3 или VT4, а VT1 или VT2 закрываются, что приводит к низкому уровню на Q (вторая и последующие строки в таблице истинности). Очевидно, что для получения функции ИЛИ необходимо исходя из принципа двойственности алгебры логики на рис.1 произвести
4
следующие замены: n-канальные транзисторы VT1 и VT2 поменять местами с p-канальными VT3 и VT4. Тогда проинвертированное значение инверсных аргументов А и В по правилу Моргана будет
Q=AхB =A+B=A+B. Аналогично, инверсия дизъюнкции аргументов равна конъюнкции инверсий тех же аргументов. Поэтому если на рис.4 поменять местами p-канальные транзисторы VT1 иVT2 с n-канальными VT3 и VT4, то функция выполняемая схемой будет:
Q=A+B=AхB=AхB
+Uu.n
А
А |
В |
Q |
O |
O |
I |
O |
I |
O |
I |
O |
O |
I |
I |
O |
VT1
В VT2
Q
б
VT3 VT4
а
Рис.4. а – принципиальная схема элемента ИЛИ-НЕ
б – таблица истинности элемента ИЛИ-НЕ
На рис.5 приведены цоколевки многовходовых логических элементов ИЛИ-НЕ.
1564ЛЕ1 564ЛЕ4 К561ЛЕ6
Рис.5. Микросхемы ИЛИ-НЕ
5
Интересна комбинированная структура И-ИЛИ, представленная на рис. 6. Закон функционирования Qn=(AnEIa+BnEIb) позволяет пропустить на Q0-Q3 либо слово А0-А3, либо В0-В3. Таким образом, схема выполняет функцию многоканального мультиплексора. Очевидно, что при EIa=EIb=0 Q0-Q3=0.
Рис. 6. Структурная схема четырехканальной микросхемы К564 ЛС2 (1564КП4)
Uи.п.
VT1
Вход Выход
VT2
Рис. 7. Принципиальная схема инвертора
VT1 – р-канальный
VT2 – n-канальный
6
При подаче на вход логического нуля, транзистор VT1 открывается, а VT2 закрывается, а при подаче логической единицы наоборот VT2 открыт, а VT1 закрыт. Таким образом, сквозной ток через VT1 и VT2 не протекает, если входные сигналы не изменяются.
На рис. 8 приведены некоторые логические элементы НЕ.
DI NOT
0 DO
1 0 5
1 7
2 2
2
3 3 9
4 11
4
5 14
E 5
OE
К561ЛН2 К561ЛН4 К561ЛН1
Рис.8. Логические схемы НЕ
Приведенная на рис.8 схема К561ЛН1 является шестиразрядным шинным драйвером с инверсными выходами, выполняющая функции:
DIiVE, если ОЕ=0
DOi={
Z – состояние, если ОЕ =1, где i=0,1,…5;
DIi (Data Input) – входные информационные сигналы;
E (Enable) – стробирующий сигнал;
DOi (Data Output) – выходные сигналы;
OE (Output Enable) – сигнал разрешения выхода.
Для построения элементов с Z состоянием используется коммутативный ключ, схема которого приведена на рис.9. Как видно из таблицы рис.9,б сочетание сигналов А=В не используется (первая и четвертая строка таблицы), наоборот, должно выполняться условие АВ=0. При этом возможны две ситуации:
А=0, В=1 – оба транзистора выключены, ключ разомкнут
А=1, В=0 – оба транзистора включены, ключ замкнут.
Основным достоинством такого ключа является возможность коммутации сигналов в двух направлениях, т.е. вход и выход можно менять местами, а значит такой ключ способен коммутировать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Переходное сопротивление ключа зависит от напряжения питания и лежит в пределах от единиц до сотен Ом.
7
A |
B |
VT1 |
VT2 |
Примечание |
O O I I |
O I O I |
O O I I |
I O I O |
Не использ. Z Коммутация Не использ. |
а б
Рис.9. Коммутативный ключ
а – принципиальная схема ключа
А,В – управляющие сигналы
б – таблица функционирования ключа.
На рис.10 приведена схема четырехвходового ключа.
Рис.10. Четырехканальный двунаправленный коммутативный ключ К561КТ3
Каждый канал независим от соседних и управляется сигналом ОЕ (при ОЕ=1 ключ открыт, при ОЕ=0 ключ закрыт).
8
Двунаправленность коммутативного ключа позволила построить
аналоговый мультиплексор – демультиплексор. На рис.11 приведена схема двухразрядного МUХ-ДМХ вида 14/41 и таблица его функционирования.
-
Вход
Включен канал
E1
X2
X1
DI00 – DO0
DI10 – DO1
O
O
O
DI01 – DO0
DI11 – DO1
O
O
I
DI02 – DO0
DI12 – DO1
O
I
I
DI03 – DO0
DI13 – DO1
I
X
X
-
Рис.11. Мультиплексор – демультиплексор К561КТ1.
Так как оба разряда микросхемы независимы друг от друга, то и функции выполняемые ими одновременно могут быть различными, например, первый разряд работает как мультиплексор, а второй как демультиплексор. Если же соединить выводы 3 и 13, то получится четырехразрядный адресуемый ключ. При подаче на адресные входы Х1 и Х2 комбинаций от 00 до 11 произойдет соединение от DI00 – DI10 до DI03 – DI13.
9