2.4.4. Схема кмоп логики с тремя состояниями выхода

Рис.2.17. Схема КМОП логики с тремя состояниями выхода

При Z= “0” схема работает как обычный инвертор, а приZ= “1” транзисторыVT1 иVT4 закрываются и схема переходит в высокоомное состояние, что позволяет нескольким устройствам работать на одну линию связи.

2.4.5. Двунаправленный ключ

а

б

Рис. 2.18. Двунаправленный ключ

При V= “0” транзисторыVT1 иVT2 открыты – ключ замкнут, и приV= “1” транзисторыVT1 иVT2 закрыты – ключ находится высокоомном состоянии.

2.5. БиКмоп логика

БиКМОП логика позволяет сочетать в интегральных схемах преимущество КМОП логики в малых потребляемых мощностях и преимущество биполярной логики в быстродействии. Логические функции в БиКМОП логике обычно реализуются в КМОП каскаде, который строится по принципам КМОП логики. Отличие БиКМОП от КМОП заключается в выходном каскаде, обычно включающем биполярные n-p-nтранзисторы (рисунок 2.19, а). Использованиеn-p-nиp-n-pтранзисторов не эффективно из-за большого расхождения их характеристик и, как следствие, различия в задержках включения и выключения БиКМОП схемы. Кроме того, это требует использования в одной схеме сразу четырех типов транзисторов, что создает существенные технологические сложности.

a) б)

Рис. 2.19. Электрическая принципиальная схема БиКМОП инвертора: R+R(а) и N+N

типа (б)

На рисунке 2.19, а транзистор VT4 предназначен для заряда емкости нагрузки и формирования выходного напряжения высокого уровня, транзисторVT3 предназначен для разряда емкости нагрузки и формирования выходного напряжения низкого уровня. Для разряда емкости базы транзисторовVT3 иVT4 используются элементыZ1 иZ2, в качестве которых могут выступать: резисторы (схемаR+Rтипа),n-МОП транзисторы (N+Nтип, рисунок 2.19, б), и сочетание резистора иn-МОП транзистора (R+Nтип).

Рис. 2.20. Электрическая принципиальная схема

БиКМОП элемента И-НЕ.

Рассмотрим основные принципы функционирования БиКМОП схем на примере элемента И-НЕ N+Nтипа, разработанного фирмойMotorola. Положим, что на входеU₂высокий уровень напряжения и, соответственно, транзисторыVT8 иVT4 открыты, а транзисторVT1 закрыт. При низком уровне напряженияна входеU₁n-МОП транзисторыVT3,VT7 закрыты,n-МОП транзисторVT9 открыт и удерживает в закрытом состоянии выходнойn-p-nтранзисторVT5. При этом открытыйp-МОП транзисторVT2 удерживает в открытом состоянии выходнойn-p-nтранзисторVT6, который формирует на выходе высокий уровень напряжения

.

При высоком уровне напряжения на входе U₁МОП-транзисторыVT2,VT9 закрыты, вследствие чего выходнойn-p-nтранзисторVT6 закрыт. Открытыеn-МОП транзисторыVT3 иVT4 удерживают в базе выходного транзистораVT6 уровень, близкий к нулю, а открытые МОП транзисторVT7 иVT8 обеспечивают открытое состояние выходногоn-p-nтранзистораVT5. При этом на выходе схемы установится низкий уровень напряжения

.

Выходная характеристика схемы приведена на рисунке 2.21, а, из которого видно, что БиКМОП схема имеет худшие значения выходных уровней U_OL,U_OHи меньшую помехозащищенность, чем КМОП.

а) б)

Рис.2.21. Выходная характеристика БиКМОП элемента типа N+N (а)

и КМОП элемента (б).

Среднее время задержки для БиКМОП схем по сравнению с КМОП больше при малых емкостях нагрузки, но значительно меньше при больших емкостях и равно

,

где C_Lемкость нагрузки;

 ток стокаn-МОП (p-МОП) транзистора;

βкоэффициент усиления биполярных транзисторов.

БиКМОП схема типа N+Nпрактически не потребляет ток в статическом состоянии. При низких уровнях напряжения на входах транзисторыVT3,VT4,VT7,VT8 иVT5 закрыты, транзисторыVT1,VT2,VT9 иVT6 открыты и цепь протекания тока между выводами +U_CCи 0Vотсутствует. Аналогична ситуация и при высоком потенциале на входе: транзисторыVT1,VT2,VT9 иVT6 закрыты,VT3,VT4,VT7,VT8,VT5 открыты и цепи протекания сквозного тока также нет. В динамическом режиме потребляемая мощность равна

,

где Sскважность импульсов;

fчастота переключения.

Схема типа R+Nтипа позволяет снизить выходное напряжение низкого уровня до значения близкого к нулю, а схемаR+Rтипа позволяет получить выходные уровни,. Однако эти типы схем отличаются по быстродействию, потреблению мощности, занимаемой площади и стабильности характеристик (номиналы резисторов) (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Сравнительные характеристики быстродействия (а) и динамической мощности потребления (б) различных типов БиКМОП схем от емкости нагрузки.