вход Вход Регистрация



Инверторы и естественно логические элементы на транзисторах с n-каналом разработаны позднее элементов на транзисторах с р-каналом. С точки зрения принципов действия между ними нет существенной разницы, однако технология их производства имеет немалые отличия. Изготовление транзисторов с n-каналами сложнее, но их параметры превосходят параметры транзисторов с р-каналами. Во-первых, в транзисторах с n-каналами носители заряда – не дырки, а электроны, подвижность которых в 2...3 раза выше подвижности дырок. Во-вторых, транзисторы с n-каналами выполняют по технологии с самосовмещением затворов, обеспечивающей уменьшение паразитных емкостей также в 2...3 раза. В итоге быстродействие этих схем оказалось в 5...8 раз выше.

В схемотехнике n-канальных элементов получили распространение статические ЛЭ с нагрузочным транзистором, имеющим встроенный канал.

Инвертор с нагрузочным транзистором (Тн), имеющим встроенный канал (по другой терминологии – работающим в режиме обеднения), включает обычный входной транзистор, управляемый переменной х, и нагрузочный транзистор, у которого затвор соединен с истоком (рисунок 1.22, а).

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 1.22 – Инвертор (а) и схемы ИЛИ-НЕ (б), И-НЕ (в) на n-МОП

 

Нагрузочный транзистор со встроенным каналом обеспечивает режим, выигрышный в сравнении с нагрузками, реализуемыми транзистором с индуцированным каналом или линейным сопротивлением. Этот транзистор всегда включен и проводит ток, причем в большей части диапазона изменений напряжения работает в области пологой части выходной характеристики, т.е. может быть приближенно представлен источником тока.

При единичном значении входного сигнала включены оба инвертора, и уровень логического нуля на выходе схемы определяется отношением сопротивлений каналов нагрузочного и входного инверторов, т.е. схема, как и инвертор на транзисторах с р-каналами, относится к числу схем «с отношением». Однако специфика параметров транзисторов такова, что требования к отношению площадей каналов здесь намного ниже, чем для инвертора типа р-МОП, и достаточно иметь отношение сопротивлений около 4.

Пороговые напряжения n-канальных транзисторов невелики 1,5...2В, и можно питать выполненные на них схемы напряжением 5В, используемым в широко распространенных элементах ТТЛ, что также является положительным свойством, обеспечивающим совместимость данной схемотехники с другими по напряжению питания.

Логические элементы в данной схемотехнике образуются путем замены в схеме инвертора входного транзистора группой транзисторов, соединенных параллельно, последовательно или смешанно. На рисунке 1.22, б и в показаны соответственно элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ на два входа, причем элементы реализуются весьма компактно.

Схемы типа n-МОП расцениваются как весьма перспективные для создания современных БИС и СБИС. По технологии изготовления они лишь немного сложнее простейших в этом отношении схем типа р-МОП. Компактность n-МОП структур максимальная, для них обеспечивается плотность компоновки в 100...200 ЛЭ/мм?. Задержки распространения составляют 5...25нс, а энергия переключения .

 

1.8.3 Инверторы и ЛЭ на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП)

Термин КМОП получил букву К от слова комплементарные (обозначает транзисторы разных типов проводимости).

Инвертор в схемотехнике КМОП (рисунок 1.23, а) построен на двух транзисторах, управляемых одной и той же переменной. Тип проводимости транзисторов противоположный, поэтому один и тот же сигнал по-разному воздействует на VТ1 и VТ2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 1.23 – Схема инвертора типа КМОП (а) и ЛЭ ИЛИ-НЕ типа КМОП (б)

 

Если х=1, т.е. входное напряжением имеет высокий уровень, то транзистор VТ1 включен, а VТ2 заперт (для транзистора VТ2 напряжение между затвором и истоком близко к нулю). Выходное напряжение отличается от нуля только падением напряжения на проводящем канале от остаточного тока запертого транзистора, что составляет микровольты и не имеет практического значения. Вполне можно принять, что логический нуль отображается здесь нулевым уровнем напряжения.

Если х=0, то проводящим окажется транзистор VТ2, для которого между затвором и истоком действует напряжение, близкое к . Транзистор VТ1 будет заперт, а выходное напряжение окажется близким к отличаясь от него лишь пренебрежимо малыми напряжениями – микровольты (по тем же причинам, что и для нулевого выходного сигнала). Очевидно, что инвертор типа КМОП можно замещать эквивалентной схемой, составленной из идеальных ключей, работающих в противофазе (вкл. – выкл.).

Этот инвертор: 1) не потребляет статического тока (в любом статическом состоянии один из транзисторов заперт); 2) может быть выполнен на транзисторах с низкоомными каналами, т.е. в быстродействующем варианте из-за отсутствия статического тока; 3) может быть построен на транзисторах с минимальными размерами, поскольку к соотношению сопротивлений их каналов не предъявляется никаких требований.

Кроме того, как показывает анализ, схемы типа КМОП имеют высокую помехоустойчивость (до 45% от питающего напряжения) и сохраняют работоспособность при изменениях питающего напряжения в широких пределах (до 5 раз).

Как видно, элементы типа КМОП имеют большие достоинства. Их недостаток – усложнение технологии изготовления (нужны одновременно транзисторы разных типов), однако в последнее время он сглаживается, и стоимость элементов КМОП снижается.

Логические элементы на структурах типа КМОП строятся по аналогичной схеме: последовательное или параллельное соединения ключа и нагрузочного сопротивления. Например, предположив, что верхняя часть схемы реализуется на транзисторах с р-каналами, а нижняя - на транзисторах с n-каналами, (рисунок 1.23, б). Т.о. получили схему ИЛИ-НЕ. Ее правильность может быть подтверждена наблюдением за состоянием транзисторов при тех или иных наборах переменных на входах. Если среди входных переменных имеется хотя бы одна единица, то в верхней группе последовательно соединенных транзисторов найдется хотя бы один запертый, а в нижней группе параллельно соединенных хотя бы один проводящий. Выходное напряжение в таком случае будет нулевым.

Если среди входных переменных нет ни одной единицы, то все транзисторы верхней группы проводят, а транзисторы нижней группы заперты. Выходное напряжение близко к . Такое функционирование реализует операцию ИЛИ-НЕ.

Схема И-НЕ имеет параллельно соединенные транзисторы в верхней части и последовательно соединенные в нижней.

 

© 2017
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру