8.3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ

Существенными преимуществами логических элементов на МОП-транзисторах перед логическими элементами на биполярных транзисторах являются: малая мощность, потребляемая входной ценью, в результате чего соответственно возрастает коэффициент разветвления по выходу простота технологического процесса изготовления; сравнительно низкая стоимость и малая потребляемая мощность.

Однако по быстродействию даже лучшие ЛЭ на МОП-транзисторах уступают схемам на биполярных транзисторах. Это обусловлено тем, что у них имеются сравнительно большие входные емкости, на перезарядку которых затрачивается определенное время. Кроме того, выходное сопротивление у открытого МОП-транзистора обычно больше, чем у биполярного, что увеличивает время зарядки конденсаторов нагрузки и ограничивает нагрузочную способность ЛЭ.

Наиболее перспективны серии, выполненные на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП) (К176, К765 и др.). В них отсутствуют нагрузочные резисторы, а МОП-транзисторы с разной электропроводностью каналов выполняют роль ключей. При напряжении на затворах, большем порогового, для транзисторов с каналом определенного типа соответствующий транзистор отперт, а другой заперт. При другом значении большем порогового для транзисторов с электропроводностью противоположного типа отпертый и запертый транзисторы меняются местами. Такие структуры успешно работают при изменении в широких пределах напряжения источника питания (от 3 до 15 В), что недостижимо для ЛЭ, в состав которых входят резисторы. В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки ЛЭ КМОП практически не потребляют мощности.

Рис. 8.14. Схема ЛЭ КМОП, выполняющего логическую функцию (а), и его условное обозначение (б); схема ЛЭ КМОП, выполняющего логическую функцию (в), и его условное обозначение (г)

Для них также характерны: стабильность уровней входного сигнала и малое его отличие от напряжений источника питания; высокое входное и небольшое выходное сопротивления; хорошая помехоустойчивость; легкость согласования с микросхемами других серий.

ЛЭ КМОП, выполняющие функцию 3 И-НЕ, приведен на рис. 8.14, а. В нем использованы транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы VT1—VT3 имеют канал -типа и открыты при напряжении затворов, близких к нулю. Транзисторы имеют канал -типа и открыты при напряжениях затворов, больших порогового значения .

При нулевом входном сигнале хотя бы на одном из входов ЛЭ один из транзисторов открыт и выходное напряжение равное Е. И только в том случае, если на всех входах есть сигнал логической единицы (обычно равный Е), все транзисторы VT1 — закрыты, а ярусно включенные транзисторы открыты. Выходное напряжение равно потенциалу общей шины (логический 0). Таким образом, сочетание ярусного включения транзисторов с каналами, имеющими один тип электропроводности, и параллельного соединения транзисторов с каналами другого типа электропроводности позволили реализовать функцию И-НЕ.

Рис. 8.15. ЛЭ КМОП: а — входная цепь; б - передаточная функция; в - буферный выход

Условное обозначение такого ЛЭ показано на рис. 8.14, б.

Если группы ярусно и параллельно включенных транзисторов поменять местами, то будет реализован элемент, выполняющий функцию (рис. 8.14, в). Он работает аналогично предыдущему. Условное обозначение его приведено на рис. 8.14, г. Транзисторы открыты в том случае, если на их затворах логическая 1, и заперты при входных сигналах логического 0.

Из рассмотренных схем видно, что в статическом режиме один из транзисторов, включенных последовательно, всегда закрыт, а другой открыт. Так как закрытый транзистор имеет большое сопротивление , то ток в цепи определяется только малыми значениями токов утечек и микросхема практически не потребляет электрическую мощность.

В качестве базового инвертора, устанавливаемого на входе ЛЭ, обычно используется цепь (рис. 8.15, а). Для предотвращения пробоя пленки оксида под затворами МОП-транзисторов схему инвертора обычно дополняют диодами, выполняющими защитные функции. Так, в схеме рис. 8.15, а для этой цели введены диоды и резистор кОм). Постоянная времени этих компонентов около 10 не. Поэтому их введение существенно не меняет динамические характеристики ЛЭ. При попадании в цепь входа статических напряжений той или иной полярности соответствующие диоды открываются и закорачивают на цепь источника питания источник статического заряда. Резистор , который вместе с барьерными емкостями диодов образует интегрирующую цепь, уменьшает скорость увеличения напряжения на затворе до значения, при котором диоды VD2, VD3 успевают открыться.

Наличие диодов защиты делает недопустимым режим, когда . Если источник напряжения имеет малое внутреннее сопротивление, то через диод при потечет большой прямой ток. Поэтому при включении аппаратуры с подобными ЛЭ напряжение питания должно подаваться раньше входного сигнала, а при выключении — наоборот. В тех случаях, когда допустимо некоторое снижение быстродействия, в цепь входа можно включать резисторы, ограничивающие входной ток на уровне .

Передаточная функция инвертора показана на рис. 8.15, б, причем уровни выходных напряжений логических 0 и 1 зависят от напряжения питания Е.

В ряде микросхем для увеличения крутизны передаточной функции и повышения нагрузочной способности к выходу инвертора ЛЭ подключают один или два дополнительных инвертора (рис. 8.15, в). Транзисторы дополнительного инвертора имеют повышенную мощность. За счет них обеспечивается уменьшение сопротивлений каналов открытых выходных транзисторов инвертора с кОм до кОм. Эти значения выходных сопротивлений позволяют не вводить в выходные цепи токоограничивающие резисторы, защищающие от короткого замыкания на выходе.

В ЛЭ КМОП предельно просто реализуют элементы с тремя устойчивыми состояниями. Для этого последовательно с транзисторами инвертора включают два комплементарных транзистора (рис. 8.16, а), управляемых инверсными сигналами . Если при подаче сигналов транзисторы закрыты, то выходное сопротивление инвертора имеет большое значение (инвертор находится в третьем высокоимпедансном состоянии).

Рис. 8.16. Инвертор с гремя выходными состояниями (а): согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП (б)

Третье состояние имеется у отдельных микросхем, например у ЛЭ типа , а также у сложных функциональных узлов серий КМОП.

Согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП можно выполнить несколькими способами: 1) питать ЛЭ КМОП малыми напряжениями , при которых сигналы ЛЭ ТТЛ переключают транзисторы ЛЭ КМОП; 2) использовать ЛЭ ТТЛ с открытым коллектором, в цепь выхода которых включен резистор, подключенный к дополнительному источнику напряжения (рис. 8.16); 3) применять микросхемы преобразователей уровня при согласовании серий КМОП с сериями ТТЛ и при согласовании серий ТТЛ с сериями КМОП).

Ориентировочные значения параметров, характеризующих серии КМОП, приведены в табл. 8.3.

Таблица 8.3

При необходимости увеличить выходную мощность допускается параллельное соединение нескольких микросхем. Для подавления помех по цепи питания между шинами питания включают электролитический конденсатор емкостью и параллельно ему керамические конденсаторы емкостью на корпус. Последние подключают непосредственно к выходам микросхем. Емкость нагрузки, как правило, не должна превышать . При большем значении емкости нагрузки последовательно с выходом устанавливают дополнительный резистор, ограничивающий ток ее переразрядки. При наличии выбросов напряжения во входном сигнале последовательно с входом ЛЭ можно включить ограничительный резистор номиналом до 10 кОм. Неиспользованные входы ЛЭ следует обязательно подключать к шинам источника питания или соединять параллельно с подключенными входами. В противном случае возможны пробои диэлектрика под затвором и нарушение работоспособности вследствие сильного влияния помех.

Допускается кратковременное замыкание накоротко выходных зажимов микросхем при малом напряжении питания.

При хранении и монтаже следует опасаться статического электричества. Поэтому при хранении выводы электрически замыкают между собой. Монтаж их проводится при выключенном напряжении питания, причем обязательно использование браслетов, с помощью которых тело электромонтажников соединяется с землей.

ЛЭ КМОП-серий широко применяются при построении экономичных цифровых устройств малого и среднего быстродействия. В дальнейшем по мере усовершенствования технологии их изготовления они могут составить конкуренцию для ЛЭ ТТЛ при создании быстродействующих устройств.