Файл: Электроника Ицкович Учебное пособие Ч2 2017.pdf

36

9 

ЛОГИЧЕСКИЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

НА

ПОЛЕВЫХ

ТРАНЗИСТОРАХ

В  ЛЭ  кремниевых  микросхем  используют  МДП-транзис-

торы с каналами одного (обычно 

n

) или обоих типов проводимо-

сти  (комплементарные  транзисторы).  Первые  обеспечивают  ми-
нимальную площадь, занимаемую ЛЭ на кристалле, а вторые — 
минимальную  потребляемую  мощность,  более  высокие  быстро-
действие и помехоустойчивость. 

Практически  бесконечное  входное  сопротивление  МДП-

транзисторов  позволяет  создавать  ЛЭ  динамического  типа,  обла-
дающие  малой  занимаемой  площадью  и  малой  потребляемой 
мощностью  при  сравнительно  невысоком  быстродействии.  Логи-
ческие  элементы  арсенид-галлиевых  микросхем  сверхвысокого 
быстродействия создают на МЕП-транзисторах с каналами n-типа. 

9.1 

Инвертор

на

 n-

канальных

МДП

-

транзисторах

        
Статический режим 
Схема  простейшего  ЛЭ — инвертора,  широко  распростра-

ненная  в  быстродействующих  БИС  (СБИС)  на n-канальных 
МДП-транзисторах, показана на рис. 9.1. Транзистор 

V

Т

a

 с инду-

цированным  каналом,  на  затвор  которого  подается  входной  сиг-
нал, называют активным, а транзистор 

V

Тп со встроенным кана-

лом, выполняющий функцию нелинейного резистора, — пассив-
ным. В общем случае необходимы два источника питания: поло-
жительной полярности +

U

ИП1

 относительно общей (нулевой) ши-

ны  БИС.  Второй  из  них,  называемый  источником  –

U

ИП2

  смеще-

ния  подложки,  не  является  принципиально  необходимым  для 
функционирования,  но  позволяет  существенно  улучшить  пара-
метры  схемы.  Если  на  входе  инвертора  напряжение  низкого 
уровня 

0

.

ПОР а

U

U

<

, где 

U

ПОР.а

 — пороговое напряжение активно-

го  транзистора,  то  последний  закрыт,  т. к.  канал  отсутствует, 
и сопротивление между истоком и стоком можно считать равным 
бесконечности. (Такое  состояние  инвертора  также  называют  за-
крытым.)  Пассивный  транзистор  всегда  открыт  независимо 
от входного  напряжения,  т. к.  напряжение  затвор-исток  всегда 

37

равно  нулю,  а  транзисторы  со  встроенным  каналом  работают  в 
режиме обогащения и обеднения. При этом 

U

ВЫХ

 = +

U

ИП1

. 

+U

ИП1 

–U

ИП2 

VT

П 

VT

А 

Вход

Выход

Рис. 9.1 — Схема инвертора на n-канальных  

МДП-транзисторах 

 
Если выход инвертора соединен с входами аналогичных или 

других  ЛЭ,  т. е.  с  затворами  следующих  МДП-транзисторов,  то 
ток,  протекающий  через  пассивный  транзистор,  пренебрежимо 
мал.  Поэтому  выходное  напряжение,  равное 

U

ИП1

,  соответствует 

напряжению  высокого  уровня 

1

U

.  Если 

1

. 1

ВХ

И П

U

U

U

=

=

,  то 

транзистор 

VT

a

  открыт. (Такое  состояние  инвертора  также  назы-

вают открытым). Протекающий ток создает падение напряжения 
на  пассивном  транзисторе.  При  надлежащем  выборе  параметров 
обоих транзисторов выходное напряжение получается малым, что 
соответствует напряжению 

0

U

. 

Напряжение 

0

U

  и  помехоустойчивость 

0

П

U

  остаются  прак-

тически  постоянными.  При  малом  напряжении  питания  +

U

ИП1 

инвертор теряет работоспособность. Передаточная характеристи-
ка и помехоустойчивость не зависят от числа нагрузок, так как в 
их входных (затворных) цепях отсутствует ток. 

Средняя  потребляемая  мощность  в  статическом  режиме 

(

)

( )

0

1

0

0

1

0,5

0,5

0,5

СР

ИП

П

P

P

P

P

U

I

U

=

+

=

=

;  в  закрытом  состоя-

нии  инвертор  не  потребляет  мощности  (

1

0

P

= ). Здесь Р

°,

1

P

 —  

мощности при напряжениях на выходе 

0

U

 и 

1

U

 соответственно. 

38

9.2 

Инвертор

на

комплементарных

транзисторах

 
Схема инвертора (рис. 9.2) содержит транзисторы 

V

Т

1

 и

 V

Т

2 

с каналами соответственно р- и 

n

-типа.  В  структуре  на  кремние-

вой  подложке  последняя  соединяется  с  общей  шиной.  Для 

p

-

канального транзистора «подложкой» служит 

n

-область кармана,  

+U

ИП1 

VT

1 

VT

2 

Вход

Выход

С1

С2

З

З

И

И

Рис. 9.2 — Схема инвертора  

на комплементарных транзисторах 

которая  соединена  с  плюсом  источника  питания.  При 

1

ВХ

ИП

U

U

U

=

=

 транзистор 

V

Т

2

  открыт, а 

V

Т

1

 закрыт. Это связа-

но с тем, что напряжение на затворе транзистора 

V

Т

2

 по отноше-

нию  к  истоку  превышает  пороговое  значение  и  между  стоком  и 
истоком  возникает  канал,  сопротивление  которого  невелико.  На 
затворе  транзистора 

V

Т

1

  напряжение  относительно  истока  равно 

нулю, и канал отсутствует. Сопротивление между стоком и исто-
ком можно принять равным бесконечности. На выходе получаем 

0

0

ВЫХ

U

U

=

≈ . Если 

0

0

ВХ

U

U

=

≈ , то, наоборот, транзистор 

V

Т

2

закрыт,  а 

V

Т

1

  открыт  и 

1

ВЫХ

ИП

U

U

U

=

=

.  В  обоих  состояниях 

ток, потребляемый от источника питания, практически равен ну-
лю.  Предполагается,  что  выход  инвертора  соединен  с  входами 
аналогичных  инверторов-нагрузок.  Таким  образом,  мощность, 
потребляемая  в  статическом  режиме,  практически  равна  нулю, 
что является важнейшим преимуществом по сравнению с любыми 

39

другими микросхемами. На рис. 9.3, а показана передаточная ха-
рактеристика инвертора (сплошная линия). С помощью рис. 9.3, б 
можно  пояснить  графический  метод  ее  построения.  На  нем 
сплошными  линиями  изображены  стоковые  характеристики 

n

-

канального  транзистора,  а  штриховыми — стоковые  характери-
стики 

p

-канального  транзистора    при  одних  и  тех  же  входных 

напряжениях 

3

2

1

ВХ

ВХ

ВХ

ПОР

U

U

U

U

>

>

>

. 

б 

U

ВЫХ

U

ВХ3 

U

ВЫХ 

U

1

n 

U

ПОР p 

U

ПОР n 

U

ВХ 

I

I I

I I I

а

U

ВХ2 

U

ВХ2 

U

ВХ1 

U

ВХ1 

I I I

I I

I

U

ВХ3 

I

C

Рис. 9.3 — Передаточная характеристика 

Пороговые  напряжения  для  простоты  предполагаются  оди-

наковыми  для  обоих  транзисторов.  При  малых 

U

ВХ

  пересечения 

ВАХ  лежат  в  области 1, где 

n

-канальный  транзистор  работает 

в режиме  насыщения,  а 

p-

канальный  не  насыщен.  Это  соответ-

ствует области 1 передаточной характеристики (рис. 9.3, а). Когда 
входное напряжение достигает 

1

2

ВХ

ВХ

U

U

=

, оба транзистора нахо-

дятся  в  режиме  насыщения,  а  выходное  напряжение  изменяется 

40

скачкообразно  в  пределах  области II на  рис. 9.3, а,  б.  При 

1

ВХ

ВХ

U

U

>

p

-канальный  транзистор  работает  в  режиме  насыще-

ния, а n-канальный не насыщен, чему соответствует область III на 
передаточной характеристике. 

Оптимальная форма передаточной характеристики достигает-

ся  при  одинаковых  параметрах  транзисторов.  Тогда 

1

ВХ

ИП

U

U

=

/2,

помехоустойчивость  максимальна  и  близка  к 

2

ИП

U

,  а  коэффи-

циент помехоустойчивости 

0, 4 0,5.

пом

л

U

К

U

=

=

÷

Такие  высокие  значения  трудно  достигнуть  в  инверторах 

других типов, в том числе на биполярных транзисторах. Это обу-
словлено минимальным значением 

0

U =  0, максимальным значе-

нием 

1

ИП

U

U

=

 и оптимальной (симметричной) передаточной ха-

рактеристикой. 

К тому же она практически не зависит от температуры. Вы-

сокая  помехоустойчивость  в  широком  интервале  температур — 
также важное преимущество.  

9.3 

Логические

элементы

И

-

НЕ

и

ИЛИ

-

НЕ

 
Логические  элементы  на  n-канальных  транзисторах.  Эти 

элементы содержат m активных транзисторов и один пассивный. 
В элементе 

И

-

НЕ

  активные  транзисторы  включаются  последова-

тельно  (рис. 9.4). Если  хотя  бы  на  один  из  входов  подается 
напряжение низкого уровня, то соответствующий активный тран-
зистор  закрыт,  ток  через  пассивный  транзистор,  выполняющий 
функцию нелинейного резистора, не протекает и на выходе уста-
навливается напряжение высокого уровня. Если на все входы по-
ступает  напряжение 

1

U ,  то  все  активные  транзисторы  открыты 

и на выходе устанавливаются 

0

U .