Комплементарная логика на МОП транзисторах

13635
0
13 июля 2009
Транзисторная логика не ограничивается парадигмой ТТЛ-схем, в которых используются биполярные транзисторы, и общая стратегия использования плавающего входа эквивалентна входному сигналу высокого логического уровня (соединение с Vcc), в связи с чем установившейся нормой стало использование выходных каскадов «с открытым коллектором». Существуют и другие способы построения логических схем.

В качестве «строительных элементов» логических схем могут использоваться полевые транзисторы с изолированным затвором. Поскольку они являются управляемыми напряжением, а не током приборами, полевые транзисторы с изолированным затвором дают возможность собирать схемы минимальной сложности. Посмотрите, например, на схему инвертора, построенного на p- и n-канальных полевых транзисторах с изолированным затвором.

04132.png

Обратите внимание на обозначение «Vdd» на положительном выводе питания. Это обозначение аналогично «Vcc», используемому в ТТЛ-схемах: оно обозначает постоянное напряжение, приложенное к стоку полевого транзистора по отношению к земле.

Давайте соединим эту схему с источником питания и используем входной переключатель, а затем исследуем её работу. Следует отметить, что используемые транзисторы работают в режиме обогащения. Для смещения и включения транзистора между затвором и стоком (точнее, между затвором и подложкой) прикладывается напряжение необходимой полярности.

04133.png

Верхний транзистор — p-канальный полевой транзистор с изолированным затвором. Когда канал (подложка) становится более «положительным», чем затвор (отрицательный затвор по отношению к подложке), происходит обогащение канала и начинается движение тока между истоком и стоком. Следовательно, на вышеприведённом рисунке верхний транзистор включён.

Нижний транзистор с нулевым напряжением между затвором и подложкой (истоком) находится в своём нормальном режиме: отключён. Таким образом, действие этих двух транзисторов такого, что выход схемы соединён с Vdd и с землёй при очень высоком сопротивлении. То есть на выходе будет напряжение логической единицы при входном сигнале соответствующем логическому нулю.

Теперь давайте посмотрим, что произойдtёт, если мы переведём входной переключатель в другое положение:

04134.png

Теперь нижний транзистор (n-канальный) находится в состоянии насыщения, потому что на нём присутствует напряжение необходимой полярности между затвором и подложкой (канал) для того, чтобы он включился (положительный потенциал на затворе, отрицательный потенциал на канале). Верхний транзистор, напряжение между затвором и подложкой которого нулевое, находится в своём нормальном режиме: отключён. Следовательно, на выходе этой схемы будет напряжение, соответствующее низкому логическому уровню. То есть мы видим, что схема представляет собой инвертор (логическую схему НЕ).

На полевых транзисторах можно собрать гораздо более простой по конструкции инвертор. Следует отметить, что выход этой схемы никогда не будет плавающим, как в случае простой ТТЛ-схемы: здесь будет обеспечиваться как втекающий, так и вытекающий ток. Главным элементом этой элегантной конструкции является использование комплементарных полевых транзисторов с p- и n-каналом. Транзисторы с изолированным затвором более известны как МОП-транзисторы (Mеталл-Oксид-Полупроводник), а так как в нашей схеме использованы транзисторы с каналом P- и N-типа, то подобной схеме дано название КМОП (Комплементарный Mеталл-Oксид-Полупроводник).

КМОП-схемы не подвержены присущей полевым транзисторам нелинейности, поскольку составляющие их транзисторы работают либо в режиме насыщения, либо в режиме отсечки и никогда в активном режиме. Однако входы таких схем чувствительны к высокому напряжению, которое может быть вызвано статическим электричеством, и могут быть также приведены в состояния логической единицы или нуля источниками паразитного напряжения, в том случае если была ситуация «плавающего» состояния. По этой причине не рекомендуется оставлять входы КМОП ИС плавающими ни при каких обстоятельствах. Следует иметь в виду, что здесь существует принципиальное отличие от ТТЛ-элементов, в которых плавающий вход интерпретируется как сигнал логической единицы.

Это может стать источником проблемы, в том случае если сигнал на вход КМОП-элемента подаётся через переключатель, но одно положение, т.е. когда есть одно соединение с Vdd или землёй плюс плавающий вход (нет соединения ни с чем).

04135.png

Когда переключатель замкнут, на входе будет низкий логический уровень. При разомкнутом переключателе логический уровень на входе схемы будет неопределённым

Также, эта проблема возникает в том случае, если сигнал на КМОП-элемент поступает с ТТЛ-элемента с открытым коллектором. Так как выход такого ТТЛ-элемента будет плавающим в случае сигнала высокого логического уровня, вход КМОП-элемента будет находиться в неопределённом состоянии:

04136.png

В случае высокого логического уровня на выходе ТТЛ-схемы с открытым коллектором вход КМОП-схемы будет плавающим

К счастью, есть несложное решение этой дилеммы, которое часто используется в логических схемах с КМОП-структурой. Если сигнал на вход КМОП-элемента подаётся с однополюсного переключателя (или любой схемы, которая не может обеспечивать как втекающий, так и вытекающий ток), для обеспечения стабильного логического уровня для состояния, в котором выход предыдущего устройства находится в плавающем состоянии, используется резистор, соединённый с Vdd или землёй. Номинал резистора не является критическим параметром: обычным значением является 10 кОм. Когда необходимо обеспечить высокий логический уровень в случае плавающего источника сигнала, резистор называется повышающим резистором:

04137.png

При замкнутом переключателе на входе схемы будет низкий логический уровень, при разомкнутом переключателе соединение с Vdd будет обеспечиваться повышающим резистором

Если резистор используется для обеспечения низкого логического уровня в случае плавающего источника сигнала, то он называется понижающим резистором. И опять же, номинал резистора не так критичен.

04138.png

При замкнутом переключателе на входе схемы будет высокий логический уровень, при разомкнутом переключателе соединение с землёй будет обеспечиваться понижающим резистором

Поскольку при подаче сигнала на КМОП-элементы с ТТЛ-схем с открытым коллектором на их выходе присутствует только втекающий ток, то требуется повышающий резистор:

04139.png

Хотя показанные КМОП-элементы представляли собой инверторы (с одним входом), тот же принцип повышающих и понижающих резисторов применяется к КМОП-элементам с несколькими входами. Естественно, для каждого входа понадобится отдельный повышающий или понижающий резистор:

04140.png

Отсюда возникает следующий вопрос: как собрать КМОП-элементы И, И-НЕ, ИЛИ и НЕ-ИЛИ с несколькими входами.

Ниже показана КМОП-схема И-НЕ:

04141.png

Обратите внимание на то, что транзисторы Q1 и Q3 напоминают последовательно-включённую комплементарную пару из схемы инвертора. Оба управляются одним и тем же входным сигналом (вход А), причём верхний транзистор выключается, а нижний включается, когда на вход подаётся сигнал логической единицы и наоборот. Следует также отметить, что Q2 и Q4 подобным же образом управляются одним входным сигналом (вход B), и они будут также работать на включение/выключение. У верхних транзисторов обеих пар (Q1 и Q2) исток и сток включены параллельно, в то время нижние транзисторы (Q3 и Q4) включены последовательно. Это значит, что на выходе будет высокий логический уровень, если один из верхних транзисторов будет находиться в режиме насыщения, и низкий уровень — только если оба транзистора будут находиться в режиме насыщения. На следующих иллюстрациях показана работа элемента И-НЕ при всех четырёх возможных комбинациях входных сигналов (00, 01, 10, и 11):

04142.png


 

04143.png


 

04144.png


 

04145.png

Как и в случае ТТЛ-элемента И-НЕ, КМОП-элемент И-НЕ может быть использован в качестве отправной точки для создания элемента И. В этом случае лишь потребуется добавить ещё один транзисторный каскад для инвертирования выходного сигнала:

04146.png

В КМОП-элементе ИЛИ-НЕ используются четыре МОП-транзистора, как и в случае элемента И-НЕ, за тем исключением, что транзисторы расположены в другой конфигурации. Вместо двух параллельно включённых (верхних) транзисторов соединённых с Vdd и двух (нижних) транзисторов, соединённых с землёй, в элементе ИЛИ-НЕ используются два последовательно включённых (втекающий ток) и два параллельно-включённых транзистора (вытекающий ток):

04147.png

Как и в случае элемента И-НЕ транзисторы Q1 и Q3 работают как комплементарная пара, так же как и транзисторы Q2 и Q4. Управление каждой парой осуществляется одним входным сигналом. Если подаётся входной сигнал А или входной сигнал В высокого логического уровня, то, по крайней мере, один из нижних транзисторов (Q3 или Q4) будет находиться в состоянии насыщения, и при этом на выходе будет сигнал соответствующий логическому нулю. Только в том случае, если на оба входа будут поданы сигналы логического нуля, оба нижних транзистора будут находиться в режиме отсечки, а оба верхних транзистора — в режиме насыщения, что соответствует условию выходного сигнала высокого логического уровня. Именно такова работа логического элемента ИЛИ-НЕ.

Логическая функция ИЛИ может быть создана с помощью элемента ИЛИ-НЕ с добавлением инверторного каскада на выходе:

04148.png

Возникает вопрос: если существует возможность собрать эквивалентные логические схемы как на основе ТТЛ-технологии, так и на основе КМОП, почему одна из технологий не вытеснит другую? Дело в том, что каждая из этих технологий обладает освоими преимуществами.

Прежде всего при сравнении технологий ТТЛ и КМОП следует остановиться на потреблении энергии. В этом аспекте КМОП является непревзойдённым лидером. Поскольку логические схемы на комплементарных МОП-транзисторах с каналом p- и n-типа (в идеале) никогда не проводят в один момент времени, потребление тока с линии Vdd минимально, за исключением тока, поступающего на нагрузку. ТТЛ-схемы, с другой стороны, потребляют ток постоянно, что обусловлено необходимостью наличия напряжения смещения на биполярных транзисторов, из которых они состоят.

По поводу этого преимущества необходимо сделать важное замечание. В то время как рассеиваемая энергия ТТЛ-элементов остаётся постоянной в независимости от их рабочего состояния, рассеиваемая энергия КМОП-элементов увеличивается по мере увеличения частоты входных сигналов. КМОП-элементы потребляют ток во время перехода с низкого логического уровня на высокий и наоборот. То есть, чем чаще происходит переключение, тем тольше тока потребляется с линии Vdd, что обуславливает большее потребление энергии на высоких частотах.

Кроме того КМОП-элементы потребляют гораздо меньше энергии в том случае если сигнал поступает с другой схемы, поскольку МОП-транзисторы являются управляемыми напряжением приборами. Это значит, что одна схема может подавать сигналы на большее количество входов КМОП-элементов, по сравнению с возможным количеством ТТЛ-элементов.

Другим преимуществом КМОП-элементов является гораздо более широкий диапазон напряжения питания. В то время как напряжение питания (Vcc) ТТЛ-схем лежит в диапазоне 4,75-5,25 В, КМОП-схемы могут работать при напряжении от 3 до 15 вольт! Причина такого несоответствия в диапазонах питания кроется в требованиях по напряжению смещения МОП-транзисторов и биполярных транзисторов. Для управления МОП-транзисторами требуется лишь напряжение затвора (по отношению к подложке), в то время как биполярные транзисторы представляют собой управляемые током приборы. Для обеспечения корректного смещения в случае ТТЛ-схем требуется примерно 5 вольт стабилизированного питания. Любое значительное отклонение от этого значения приведёт к некорректному току смещения транзистора, что вызовет в свою очередь непредсказуемую работу схемы в целом. Единственным негативным эффектом, который может быть вызван изменением напряжения питания КМОП-схемы — определение напряжения для высокого логического уровня. Для КМОП-схемы, работающей при напряжении питания 15 В (Vdd), входной сигнал должен быть приблизительно на уровне 15 В, чтобы он был воспринят как сигнал высокого логического уровня. Порог напряжения для сигнала низкого логического уровня остаётся неизменным: около 0 В.

Одним из значительных недостатков КМОП-технологии является низкая скорость, по сравнению с ТТЛ-схемами. Входные ёмкости КМОП-схем достоточно высоки, намного выше, чем ёмкости ТТЛ-схем — вследствие использования МОП-транзисторов, то есть КМОП-схемы медленнее реагируют на изменение сигнала (от низкого уровня к высокому и наоборот), чем ТТЛ-схемы, при всех прочих равных условиях. Постоянная времени rc- цепи сформированная сопротивлениями цепи и входными ёмкостями препятствовetn быстрому изменению логического уровня, а следовательно ухудшает высокочастотные характеристики.

Стратегия минимизации недостатков, присущих КМОП-схемам заключается в «буферизации» выходных сигналов посредством введения дополнительных транзисторных каскадов для увеличения общего коэффициента усиления по напряжению. Благодаря этому обеспечивается выходное напряжение с возможностью более быстрого перехода от одного логического уровня к другому при небольшом изменении входного напряжения. Посмотрите на следующий пример, на котором показаны «небуферизованный» и «буферизованный» элемент ИЛИ-НЕ:

04308.png

В схемах подобного типа на выходе схемы ИЛИ-НЕ добавляются два инвертора, с помощью которых обеспечивается увеличение общего коэффициента усиления по напряжению, то есть выход становится в большей степени чувствительным к изменениям сигнала на входе, благодаря чему увеличивается скорость работы КМОП-схемы.

  • РЕЗЮМЕ:

  • Логические КМОП-схемы состоят из МОП-транзисторов.

  • Входы КМОП-схем чувствительны к статическому электричеству. Они могут быть повреждены высоким напряжением и могут принимать любой логический уровень, если оставлены в плавающем состоянии.

  • Повышающие и понижающие резисторы применяются для предотвращения плавающего состояния входа КМОП-схем..

  • КМОП-элементы рассеивают гораздо меньше энергии по сравнению с аналогичными ТТЛ-элементами, однако рассеиваемая на них энергия увеличивается по мере увеличения частоты сигнала, в то время как рассеиваемая энергия ТТЛ-элементов остаётся приблизительно постоянной в широком диапазоне рабочих условий.

  • КМОП-элементы потребляют гораздо меньше энергии, чем ТТЛ-элементы, поскольку МОП-транзисторы являются приборами управляемыми напряжением, а не током.

  • КМОП-схемы могут работать в гораздо более широком диапазоне напряжения питания, чем ТТЛ-схемы: обычно в диапазоне от 3 до 15 вольт (4,75-5,25 В для ТТЛ-элементов).

  • КМОП-элементы имеют тенденцию к гораздо более низкой рабочей частоте, что обусловлено входными ёмкостями затвора МОП-транзисторов.

  • КМОП-элементы оснащаются дополнительными выходными буферами для увеличения коэффициента усиления по напряжению, благодаря чему достигается большая скорость реагирования на изменения входных сигналов. Это позволяет преодолеть свойственную КМОП-схемам невысокую скорость, обусловленную входной ёмкостью МОП-транзисторов.



Тактические и профессиональные фонари. В первую очередь, это светотехнические средства, пригодные для применения в экстремальных и сложных условиях, а так же техника, оптимизированная для узкого спектра задач, например подствольные фонари или фонари для дайвинга.
12879 0
Активная распределенная антенная система представляет собой двунаправленный репитер, который усиливает и дублирует выходной сотовый сигнал внутри одного помещения. Усиленный сигнал дублируется с помощью внутренней антенны. Подобным образом дублируется сотовый сигнал и за пределами здания.
5696 0
Для схемы данного интегратора подойдёт практически любая модель операционного усилителя, но в списке необходимых компонентов указана модель 1458, так как входные токи смещения этого ОУ гораздо выше. Как правило, высокий входной ток смещения считается плохой стороной того или иного операционного усилителя, если он используется в схеме усилителя постоянного тока (и особенно в схеме интегратора!).
7010 0

    Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

    При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.2577 s