Логические элементы на мдп-транзисторах
рис. 2.16
На рис. 2.16 показана схема логического элемента с индуцированным каналом типа n (так называемая n МДП - технология). Основные транзисторы VT1 и VT2 включены последовательно, транзистор VT3 выполняет роль нагрузки. В случае, когда на обоих входах элемента действует высокое напряжение U1(х1=1, х2 =1), оба транзистора VT1 и VT2 оказываются открытыми и на выходе устанавливается низкое напряжение U0. Во всех остальных случаях хотя бы один из транзисторов VT1 или VT2 закрыт и на выходе устанавливается напряжение U1. Таким образом, элемент выполняет логическую функцию И-НЕ.
рис. 2.17
На рис. 2.17 приведена схема элемента ИЛИ-НЕ. На его выходе устанавливается низкое напряжение U0, если хотя бы на одном из входов действует высокое напряжение U1, открывающее один из основных транзисторов VT1 и VT2.
рис. 2.18
Приведенная на рис. 2.18 схема представляет собой схему элемента ИЛИ-НЕ КМДП-технологии. В ней транзисторы VT1 и VT2 - основные, транзисторы VT3 и VT4 - нагрузочные. Пусть высокое напряжение U1. При этом транзистор VT2 открыт, транзистор VT4 закрыт и независимо от уровня напряжения на другом входе и состояния остальных транзисторов на выходе устанавливается низкое напряжение U0. Элемент реализует логическую операцию ИЛИ-НЕ.
КМПД-схема характеризуется весьма малым потребляемым током (а следовательно, и мощности) от источников питания.
Логические элементы интегральной инжекционной логики
рис. 2.19
На рис. 2.19 показана топология логического элемента интегральной инжекционной логики (И2Л). Для создания такой структуры требуются две фазы диффузии в кремнии с проводимостью n-типа: в процессе первой фазы образуются области p1 и p2, второй фазы - области n2.
Элемент имеет структуру p1-n1-p2-n1. Такую четырехслойную структуру удобно рассматривать, представив ее соединением двух обычных трехслойных транзисторных структур:
p1-n1-p2 n1-p2-n1
Соответствующая такому представлению схема показана на рис.2.20,а. Рассмотрим работу элемента по это схеме.
рис. 2.20
Транзистор VT2 со структурой типа n1-p2-n1 выполняет функции инвертора, имеющего несколько выходов (каждый коллектор образует отдельный выход элемента по схеме с открытым коллектором).
Транзистор VT2, называемый инжектором, имеет структуру типа p1-n1-p2. Так как область n1 у этих транзисторов общая, эмиттер транзистора VT2 должен быть соединен с базой транзистора VT1; наличие общей области p2 приводит к необходимости соединения базы транзистора VT2 с коллектором транзистора VT1 . Так образуется соединение транзисторов VT1 и VT2, показанное на рис.2.20,а.
Так как на эмиттере транзистора VT1 действует положительный потенциал, а база находится под нулевым потенциалом, эмиттерный переход оказывается смещенным в прямом направлении и транзистор открыт.
Коллекторный ток этого транзистора может замкнуться либо через транзистор VT3 (инвертор предыдущего элемента), либо через эмиттерный переход транзистора VT2.
Если предыдущий логический элемент находится в открытом состоянии (открыт транзистор VT3), то на входе данного элемента низкий уровень напряжения, который действуя на базе VT2, удерживает этот транзистор в закрытом состоянии. Ток инжектора VT1 замыкается через транзистор VT3. При закрытом состоянии предыдущего логического элемента (закрыт транзисторVT3) коллекторный ток инжектора VT1 втекает в базу транзистора VT2, и этот транзистор устанавливается в открытое состояние.
Таким образом, при закрытом VT3 транзистор VT2 открыт и, наоборот, при открытом VT3 транзистор VT2 закрыт. Открытое состояние элемента соответствует состоянию лог.0, закрытое - состоянию лог.1.
Инжектор является источником постоянного тока (который может быть общим для группы элементов). Часто пользуются условным графическим обозначением элемента, представленным на рис. 2.21,б.
На рис. 2.21,а показана схема, реализующая операцию ИЛИ-НЕ. Соединение коллекторов элементов соответствует выполнению операции так называемого монтажного И. Действительно, достаточно, чтобы хотя бы один из элементов находился в открытом состоянии (состоянии лог.0), тогда ток инжектора следующего элемента будет замыкаться через открытый инвертор и на на объединенном выходе элементов установится низкий уровень лог.0. Следовательно, на этом выходе формируется величина, соответствующая логическому выражению х1·х2. Применение к нему преобразования де Моргана приводит к выражению х1·х2 = . Следовательно, данное соединение элементов действительно реализует операцию ИЛИ-НЕ.
рис. 2.21
Логические элементы И2Л имеют следующие достоинства:
обеспечивают высокую степень интеграции; при изготовлении схем И2Л используются те же технологические процессы, что и при производстве интегральных схем на биполярных транзисторах, но оказывается меньшим число технологических операций и необходимых фотошаблонов;
используется пониженное напряжение (около 1В);
обеспечивают возможность обмена в широких пределах мощности на быстродействие (можно изменять на несколько порядков потребляемую мощность, что соответственно приведет к изменению быстродействия);
хорошо согласуются с элементами ТТЛ.
На рис. 2.21,б показана схема перехода от элементов И2Л к элементу ТТЛ.