Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Базовые элементы КМОП

.doc
Скачиваний:
32
Добавлен:
03.06.2015
Размер:
226.82 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО 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.

Широкое применение находит инвертор, принципиальная схема которого приведена на рис. 7.

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 14/41 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