Комплиментарная логика
Схемы комплиментарной логики – это МОП-схемы (КМОП-логика), характеризующиеся низкой потребляемой мощностью и высокой помехоустойчивостью. Логические схемы этого типа изготавливают на базе n- и р- канальных МОП-транзисторов. Основная операция КМОП-логики показана на примере инвертора на рис. 2.22.
рис. 2.22.Схема инвертора
Если вход Х находится в состоянии 0 (низкий уровень напряжения), то n-канальный транзистор заперт, а р- канальный имеет индуцированный канал, обеспечивающий соединение с сопротивлением приблизительно 500 Ом между выходной клеммой и положительным полюсом источника питания. Когда вход Х находится в состоянии 1 (высокий уровень напряжения), р- канальный транзистор запирается, а n-канальный имеет индуцированный канал с сопротивлением около 500 Ом, соединяющий выход с землей. Отметим, что в силу большого входного сопротивления, влияние нагрузки отсутствует при соединении рассматриваемых элементов между собой. Поэтому выходные напряжения очень близки к 0 или к Uп. При работе инвертора один из МОП-транзисторов закрыт и ток, потребляемый от источника, очень мал. Преобразование схемы инвертора в двухвходовый элемент И-НЕ показано на рис. 2.23.
рис. 2.23. Стандартная КМОП-схема, реализующая функцию И-НЕ.
Когда Х1 и Х2 имеют высокий потенциал (логическая 1), Т1 и Т2 закрыты, а Т3 и Т4 открыты и на выходе схемы низкий потенциал (логический 0). Если же Х1 или Х2 или оба вместе находятся в состоянии 0, то Т1 и Т2 открыты, а Т3 и Т4 закрыты и на выходе высокий потенциал (логическая 1). Таким образом, данная схема работает как схема И-НЕ. Если в этой схеме поменять местами р- и n- канальные транзисторы, то схема будет выполнять функцию ИЛИ-НЕ.
Так как входные сигналы Х1 и Х2 поступают на затворы МОП-транзисторов, имеющих входное сопротивление порядка 108 Ом, то ток во входной цепи фактически не потребляется. В связи с тем, что один из 2-х транзисторов связанный с каждым входом (т.е. Т1 и Т3, Т2 и Т4) находится всегда в состоянии насыщения, выходное сопротивление низкое и коэффициент разветвления по выходу высокий. Кроме того, в статическом режиме один транзистор в каждой из цепей, проходящей к земле (т.е. Т1-Т3 и Т2-Т4) всегда находится в режиме отсечки, поэтому нет утечки на землю и мощность потребления от источника питания очень маленькая. Однако в динамическом режиме паразитные емкости в схеме вызывают повышенное потребление мощности.
В типовых КМОП-схемах напряжение источника питания имеет диапазон от 3 В до 15 В, статическая потребляемая мощность менее 10 Мвт на элемент, коэффициент разветвления по выходу более 50, задержка – около 70 Нс. Помехоустойчивость таких схем очень высокая.
Схемы с открытым коллектором
В качестве буферных устройств используются специальные логические схемы с открытым коллектором. На рис. 2.24 представлена двухвходовая ТТЛ-схема с открытым коллектором, выполняющим операцию 2И-НЕ
рис. 2.24. Схема ТТЛ с открытым коллектором.
Сравнив эту схему со стандартной схемой ТТЛ элемента можно увидеть, что в схеме с открытым коллектором отсутствуют элементы, включенные в коллекторную цепь на выходе стандартной ТТЛ-схемы. Если выходы двух стандартных ТТЛ-схем соединены вместе и один из них имеет низкий, а другой – высокий потенциал, то цепь от источника Uп к земле проходит через выходной транзистор с низким потенциалом. В результате появляется избыточный ток (до 40 мА), протекающий в этом транзисторе, который может вывести его из строя. Следовательно, объединение выходов двух или более стандартных схем недопустимо. ТТЛ-схемы с открытым коллектором обычно работают с использованием согласующего резистора около 2 кОм, включаемого между коллектором выходного транзистора и Uп. В этом случае схема работает как обычная схема И-НЕ. ТТЛ-элемент с открытым коллектором можно использовать для управления внешними нагрузками, такими как лампы и реле. Если два и более выхода схем с открытым коллектором соединены параллельно, то достаточно одного согласующего резистора 2 кОм. Таким образом. коллекторы всех схем соединяются вместе и подключаются к Uп через этот резистор и нежелательных последствий для этих схем нет. Такая схема включения называется «монтажное ИЛИ» и представлена на рис. 2.25.
рис. 2.25. Схема «монтажное ИЛИ».