9.4.7. КОМПЛЕМЕНТАРНАЯ МОП-ЛОГИКА (КМОП)

В описанной в предыдущем разделе n-МОП-схеме ток утечки появляется в том случае, когда выходное напряжение имеет низкий уровень. Этого можно избежать, если запереть полевой транзистор (рис. 9.15 или 9.16). Следовательно, он должен включаться и выключаться в противофазе с входными транзисторами. Особенно просто этого можно достичь, если использовать комплементарный (дополнительный) МОП-транзистор Рассмотрим принцип действия схем КМОП на примере инвертора, изображенного на рис. 9.17.

Рис. 9.17. Инвертор типа КМОП.

Пороговое напряжение обоих транзисторов составляет, как правило, 1,5 В. Если то открыт р-канальный МОП-транзистор а n-канальный МОП-транзистор заперт. При этом выходное напряжение равно Если то транзистор заперт, открыт и выходное напряжение равно нулю. Напряжение питания можно произвольно выбирать в диапазоне от 3 до 15 В. Очевидно, что в статическом режиме потребление тока данной схемой будет равно нулю. Лишь в момент переключения, пока входное напряжение находится в пределах существует небольшой ток утечки.

Потребление тока этой схемой определяется в основном процессами перезаряда паразитных емкостей. Если к одному выходу подключается несколько КМОП-элементов, то при каждом изменении состояния все входные емкости должны перезаряжаться через выход одного элемента. Когда выходное напряжение переходит в состояние логической единицы, емкостная нагрузка через транзистор заряжается до величины При этом от источника питания отбирается заряд Пресли выходное напряжение достигает низкого уровня, емкостная нагрузка разряжается через транзистор Т. Следовательно, в течение каждого периода

входного сигнала, имеющего форму прямоугольного импульса, из шины питания на общую шину стекает заряд Q. Среднее значение этого тока определяется как

Здесь частота входного напряжения. Таким образом, мощность, потребляемая этой схемой, пропорциональна частоте.

Напряжение логической единицы зависит от выбранного напряжения питания. При переключении этой схемы ее выходное напряжение изменяется симметрично относительно уровня половины напряжения питания. С увеличением напряжения питания увеличивается также и запас помехоустойчивости. Если достигается совместимость с уровнями ТТЛ. При этом один элемент КМОП может управлять, как правило, одним стандартным элементом ТТЛ.

На рис. 9.18 изображен логический элемент КМОП ИЛИ-НЕ, работающий на том же принципе, что и описанный выше инвертор.

Рис. 9.18. Элемент ИЛИ-НЕ типа КМОП.

Рис. 9.19. Элемент И-НЕ типа КМОП.

Чтобы всегда можно было обеспечить большое управляемое сопротивление нагрузки, когда любое из входных напряжений будет иметь высокий уровень, соответствующее число р-канальных транзисторов включается последовательно. Несмотря на то что при этом выходное сопротивление схемы в состоянии логической единицы возрастает, выходное напряжение логической единицы остается на уровне так как в стационарном режиме ток не течет. Путем изменения параллельного включения транзисторов на последовательное (и наоборот) из схемы ИЛИ-НЕ можно получить логический элемент И-НЕ, представленный на рис. 9.19.

Двунаправленные логические элементы

В разд. 9.1 было указано, что логические связи могут быть реализованы с помощью ключей. Эта возможность используется также в МОП-схемотехнике, так как ее реализация часто приводит к упрощению схем. В отличие от обычных логических элементов базовый элемент этих схем позволяет непосредственно передавать напряжение сигнала с выхода на вход. Его обозначение и схема замещения приведены на рис. 9.20,а. Функция этого элемента состоит в разъединении или соединении (через достаточно низкоомное сопротивление) выхода с входом. При этом табл. 9.12 вывода (вход и выход) равнозначны. Следовательно, сигнал передается в обоих направлениях с очень малыми искажениями.

В отличие от обычных логических элементов на выходе этих схем не формируются уровни напряжения. Поэтому помехоустойчивость таких схем тем хуже, чем большее число двунаправленных элементов включено последовательно. Следовательно, их нужно использовать только вместе с обычными логическими элементами.

Схемотехническая реализация такого элемента, выполненная с помощью КМОП-технологии, представлена на рис. 9.20, ,. Коммутатор, о котором шла речь, составлен из двух комплементарных МОП-транзисторов Управление ими осуществляется противофазными напряжениями затворов, формируемыми

Рис. 9.20. а - двунаправленный логический элемент. Обозначение и схема замещения; б - элемент, выполненный по КМОП-технологии.

с помощью инверторов Если то Поэтому оба транзистора закрыты, если предположить, что напряжения сигналов находятся в пределах между и

Если то В этом случае для указанной области изменения напряжения сигналов по крайней мере один из МОП-транзисторов или всегда открыт.

Как мы еще увидим в разд. 17.2.1, данная схема используется также в качестве аналогового ключа. Его отличие от двунаправленного логического элемента состоит в том, что потенциалы затворов транзисторов не просто логически инверсны друг другу, а имеют противоположные полярности.

Таблица 9.12 (см. скан) Основвые параметры логических элементов различного типа

При этом можно коммутировать сигналы как положительной, так и отрицательной полярности.