ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 9079
Скачиваний: 23
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
малыми
занимаемой
площадью
и
потребляемой
мощно
-
стью
при
сравнительно
невысоком
быстродействии
.
Логические
элементы
арсенид
-
галлиевых
микросхем
сверхвысокого
быстро
-
действия
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
относительно
общей
(
нулевой
)
шины
БИС
.
Второй
из
них
,
называемый
источником
смещения
подлож
-
ки
,
не
является
принципиально
необходимым
для
функциониро
-
вания
,
но
позволяет
существенно
улучшить
параметры
схемы
.
Если
на
входе
инвертора
напряжение
низкого
уровня
0
.
ПОР а
U
U
<
,
где
U
ПОР.а
—
пороговое
напряжение
активного
тран
-
зистора
,
то
последний
закрыт
,
т
.
к
.
канал
отсутствует
,
и
сопротив
-
ление
между
истоком
и
стоком
можно
считать
равным
бесконеч
-
ности
. (
Такое
состояние
инвертора
также
называют
закрытым
.)
Пассивный
транзистор
всегда
открыт
независимо
от
входного
напряжения
,
т
.
к
.
напряжение
затвор
-
исток
всегда
равно
нулю
,
а
37
транзисторы
со
встроенным
каналом
работают
в
режиме
обога
-
щения
и
обеднения
.
+U
ИП1
VT
П
VT
А
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
,
равне
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
(
штрихо
-
вая
линия
)
помехоустойчивость
1
0
П
U
=
и
инвертор
теряет
рабо
-
тоспособность
.
Передаточная
характеристика
и
помехоустойчи
-
вость
не
зависят
от
числа
нагрузок
,
так
как
в
их
входных
(
затвор
-
ных
)
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
n
и
V
Т
p
с
каналами
соответственно
n-
и
p-
типа
.
В
структуре
на
кремние
-
вой
подложке
последняя
соединяется
с
общей
шиной
.
Для
p-
канального
транзистора
«
подложкой
»
служит
n-
область
кармана
,
+U
ИП1
-U
ИП1
VT
1
VT
2
Вход
Выход
С1
С2
Рис. 9.2 — Схема инвертора
на комплементарных транзисторах
которая
соединена
с
плюсом
источника
питания
.
При
1
.
ВХ
И П
U
U
U
=
=
транзистор
V
Т
n
открыт
,
а
V
Т
p
закрыт
.
Это
связа
-
но
с
тем
,
что
напряжение
на
затворе
транзистора
V
Т
n
по
отноше
-
нию
к
истоку
превышает
пороговое
значение
и
между
стоком
и
истоком
возникает
канал
,
сопротивление
которого
невелико
.
На
затворе
транзистора
V
Т
p
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
n
закрыт
,
а
V
Т
p
открыт
и
1
.
ВЫХ
И П
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
,
39
что
является
важнейшим
преимуществом
по
сравнению
с
любы
-
ми
другими
микросхемами
.
На
рис
. 9.3,
а
показана
передаточная
характеристика
инвертора
(
сплошная
линия
).
С
помощью
рис
.
11.7,
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
на
-
пряжениях
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
соответству
-
ет
области
1
передаточной
характеристики
(
рис
. 9.3,
а
).
Когда
входное
напряжение
достигает
1
2
ВХ
ВХ
U
U
=
,
оба
транзистора
на
-
40
ходятся
в
режиме
насыщения
,
а
выходное
напряжение
изменяет
-
ся
скачкообразно
в
пределах
области
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
на
передаточной
характеристике
.
Оптимальная
форма
передаточной
характеристики
достига
-
ется
при
одинаковых
параметрах
транзисторов
.
Тогда
1
ВХ
ИП
U
U
=
/2,
помехоустойчивость
максимальна
и
близка
к
2
ИП
U
, а коэффициент помехоустойчивости 0,4...0,5.
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 на-
пряжение низкого уровня, то соответствующий активный транзи-
стор закрыт, ток через пассивный транзистор не протекает и на
выходе устанавливается напряжение высокого уровня. Если на
все входы поступает напряжение
1
U , то все активные транзисто-
ры открыты и на выходе устанавливаются
0
U .