2.4.2. Логические элементы на комплементарных транзисторах (кмоп).

Для реализации функции И-НЕ применяется последовательное включение n-канальных и параллельное включениеp-канальных транзисторов (рис. 2.14, а). При тех же геометрических размерах транзисторов, что и в инверторе, ток, задаваемыйn-канальными транзисторами и открытом состоянии, уменьшается в т раз, а ток, задаваемый р-канальными транзисторами, увеличивается вmраз. Поэтому ЛЭ И-НЕ имеет характеристики и параметры, близкие к инвертору, эффективная удельная крутизна транзисторов которогоb_nЭФ=b_n/m,b_pЭФ=mb_p. С ростомmпараметрb_nЭФ/b_pЭФуменьшается, передаточная характеристика сдвигается вправо и уменьшается помехоустойчивостьU¹_П(см. рис. 2.12). Приm≥ 5 помехоустойчивостьU¹_Пстремится к |U_ПОРp|. Если этого недостаточно, надо увеличивать ширину канала транзисторов VT_n(W_n>W_p) для повышенияb_n/b_p.

С увеличением mвремя t^1,0линейно возрастает, a t^0,1во столько же раз убывает, поэтому средняя задержка изменяется сравнительно медленно. При одинаковых размерах транзисторов (W_n=W_p) величина t_зд.срдляm= 1 иm= 4 отличается только в 1,3 раза. Таким образом, элемент И-НЕ на комплементарных транзисторах характеризуется гораздо более слабой зависимостью быстродействия от m по сравнению с элементом наn-канальных транзисторах. Для больших m (более 4...5)t^0,1« t^0,1и средняя задержка возрастает пропорциональноm.

Рис. 2.14, а. Элемент И-НЕ

Для реализации функции ИЛИ-НЕ применяется параллельное включение n-канальных и последовательное включение р-канальных транзисторов (рис. 2.14,6). Логический элемент ИЛИ-НЕ имеет характеристики и параметры, близкие к характеристикам и параметрам инвертора с эффективной удельной крутизной транзисторовb_nЭФ=mb_n,b_pЭФ=b_p/m. С ростом m передаточная характеристика сдвигается влево и уменьшается помехоустойчивость U⁰_П, стремящаяся в пределе (приm> 4...5) к U_ПОРn. Время t^0,1 линейно возрастает, а время t^1,0 убывает. При одинаковых геометрических размерах транзисторов t^0,1значительно больше t^1,0, даже еслиm= 1. Поэтому средняя задержка увеличивается примерно пропорциональноm, т.е. гораздо сильнее, чем в элементе И-НЕ.

Оптимальным с точки зрения быстродействия является соотношение . Дляm= 2...4 получаемW_p/W_n= 2...3, т. е. размеры р-канальных транзисторов должны быть существенно больше, чем n-канальных. Это ведет к росту площади, занимаемой ЛЭ на кристалле, и повышению нагрузочной емкости (по сравнению с элементом И-НЕ). Поэтому даже в оптимальном случае быстродействие элементов ИЛИ-НЕ (в предположении, что они нагружены на подобные ЛЭ) примерно в 2 раза хуже, чем элементов И-НЕ. Таким образом, в КМОП-микросхемах предпочтительнее использовать элементы И-НЕ.

Рис. 2.14, б. Элемент ИЛИ-НЕ

2.4.3. Буферированные кмоп

Благодаря уменьшению размеров становится возможным выпускать буферированные КМОП с улучшенными характеристиками. Это реализуется путем добавления двух инверторов без существенного изменения размеров ячейки. Например, на рис. 2.16, а показан результат буферирования ячейки И-НЕ, исходная схема которой дана на рис. 2.15. Времена нарастания и спада выходного сигнала в схеме на рис. 2.15,а зависят от сочетания входных сигналов, что показано тонкими линиями на рис. 2.16,б. В буферированной КМОП-схеме благодаря усилению сигналов парой инверторов (рис.2.16, а) этот недостаток удалось устранить (см. утолщенную линию на рис. 2.16,б). Улучшаются и передаточные характеристики (рис. 2.16, в), что ведет к повышению помехоустойчивости схем.

Рис. 2.15. Ячейка И-НЕ с двумя входами

Рис. 2.16,а. Буферированная ячейка И-НЕ

Рис. 2.16,б. Временная задержка

Рис. 2.16, в. Передаточная характеристика