Ключи и логические элементы на комплементарных МОП транзисторах: схемы, статическое состояние, свойства. Особенности применения.

 

Схема и временные диаграммы работы ключа на комплементарных МОП-транзисторах приведены на рис. 10.12. В нем затворы транзисторов объединены, исток Т1 подключен к общей шине, а исток Т2 − к шине источника питания Е _п.

Пусть на интервале 0… t ₁ на входе . Транзистор Т1 закрыт. Если при этом

то транзистор Т2 открыт. Ток в общей цепи определяется током утечки транзистора Т1 т.е. ничтожно мал. Поэтому напряжение на низкоомном канале Т2 тоже очень мало, и .

    При

 и

 

(рис. 10.12,б, t > t₁) соответственно открыт Т1 и закрыт Т2. Ток в общей цепи по-прежнему равен току утечки запертого транзистора (теперь уже Т2). Поэтому .

 

 

Итак, ввиду весьма малых остаточных напряжений на открытых транзисторах перепад выходных уровней ключа приближается к напряжению источника питания Е _п.

Выходное сопротивление ключа определяется сопротивлением открытого транзистора. В интересах повышения быстродействия оно делается по возможности малым. Благодаря этому быстродействие ключей на комплементарных МОП-транзисторах не уступает быстродействию ключей на биполярных транзисторах.

В обоих статических состояниях мощности от источника питания ключ почти не потребляет, так как один из транзисторов закрыт. Для избежания одновременного отпирания обоих транзисторов при переключениях, когда U _вх меняется в пределах 0… Е _п, необходимо обеспечить условие

 

 

С увеличением частоты переключений растет средний ток перезаряда емкости нагрузки, обусловливая рост динамической потребляемой мощности. Она может стать ограничивающим фактором на допустимую частоту переключений и емкость нагрузки.

 

Базовыми элементами серий ИС на комплементарных МОП-транзисторах (КМОПТЛ) являются инвертор и двунаправленный ключ.

 

Реальная схема инвертора отличается от схемы ключа на комплементарных МОП-транзисторах (рис. 10.12,а), рассмотренной в 10.4.2, лишь наличием защиты входов, являющихся внешними выводами ИС (рис. 11.19).

 

 

Охранная схема содержит резистор R сопротивлением 0,5...1,5 кОм и диоды Д1 … Д3, которые шунтируют входное напряжение либо на шину источника питания , либо на общую шину. В нормальных условиях, когда входное напряжение не выходит за пределы − 0,7В... (  + 0,7В), диоды закрыты. Если подаваемое на вход напряжение выходит за указанные пределы и внутреннее сопротивление источника сигнала мало, следует считаться с опасностью повреждения охранной цепи чрезмерным входным током. Ограничение тока обеспечивает резистор R. Верхний предел его сопротивления определяется допустимым ухудшением быстродействия ключа из-за роста времени перезаряда входной емкости транзисторов и диодов Д2, Д3.

 

 

В отличие от диодов, специально вводимых в схему для защиты от пробоя, имеются диоды Д4 … Д6, которые являются сопутствующими, возникающими при изготовлении комплементарных транзисторов. Это видно из
рис. 11.20, где показано поперечное сечение структуры инвертора. Сопутствующие диоды Д4, Д5 подключены к выходу инвертора. Они остаются закрытыми, если напряжение на выходе, так же как и на входе, находится в границах питающего напряжения. Диод Д6 отпирается при переполюсовке источника питания. Охранные цепи и сопутствующие диоды на принципиальных схемах обычно не изображают.

 

 

 

Существует ещё одна причина, по которой следует опасаться перегрузок и соблюдать определенные правила обращения с аппаратурой на КМОПТЛ ИС. Как следует из рис. 11.20, некоторые р-n -переходы могут образовать взаимодействующие биполярные транзисторы. В частности, одну из таких схем иллюстрирует рис. 11.21 /25/. Здесь биполярный n-р-n -транзистор образует область n ⁺-типа истока МОП-транзистора Т1, областью его кармана р -типа и общей подложкой п -типа. Происхождение р-n-р -транзистора аналогично. Оба паразитных транзистора включены так, что образуют структуру, подобную тиристору, включенному между шинами питания. Для её активизации достаточно короткого импульса на любую базу. В результате происходит замыкание шины питания и общей шины, управление по входам прекращается, и из-за большой рассеиваемой мощности микросхема может выйти из строя. Единственный способ привести её в нормальный режим − отключить питание. Сравнительно низкое объемное сопротивление подложки (R _п) и кармана (R _р) шунтируют эмиттерные переходы, благодаря чему для запуска такой системы требуется достаточно большой ток. При правильном обращении с аппаратурой такие токи не возникают и паразитный тиристор всегда заперт. Однако опасность его возбуждения существует.

Для предотвращения нежелательных явлений напряжение питания следует всегда подавать раньше любых входных сигналов, особенно если их источники имеют малое выходное сопротивление. Выключение аппаратуры следует выполнять в обратном порядке.

Логические элементы других типов строятся на основе базовых инверторов путем измерения топологии соединений их транзисторов на кристалле ИС. Так, для получения элемента ИЛИ-НЕ n -канальные транзисторы соединяются параллельно, a р -канальные последовательно (рис. 11.22,а), для элемента И-НЕ наоборот − n -канальные последовательно, а р -канальные параллельно (рис. 11.22,б). Образуется два яруса транзисторов относительно выходного вывода. Как и в отдельном инверторе, здесь при любой комбинации входных сигналов в установившемся режиме ток от источника питания практически отсутствует, так как один из ярусов всегда закрыт. Например, для ЛЭ ИЛИ-НЕ нижний ярус закрыт при наличие на всех входах сигналов логического нуля, а при других комбинациях закрыт верхний ярус. В логическом элементе И-НЕ состояния транзисторов противоположны.

 

 

 

Ввиду малости остаточного напряжения на открытых транзисторах количество входов КМОПТЛ элементов на уровни U ^о и U ¹ почти не влияет. Однако элементы с числом входов более четырех обычно не создают. При необходимости расширить число логических входов используют монтажную логику. На рис. 11.23,а показан пример получения многовходового элемента И-НЕ путем подключения к выходам трехвходовых ЛЭ И-НЕ диодной схемы ИЛИ. Схема реализует функцию

 

При использовании элементов ИЛИ-НЕ с диодной схемы И (рис. 11.23,б) расширяется число переменных для операции ИЛИ-НЕ:

 

 

 

 

Двунаправленный ключ в сериях ИС КМОПТЛ выступает как второй базовый элемент. Он представляет собой специфический узел, не имеющий функциональных аналогов среди микросхем других видов логики. Назначение двунаправленного ключа (ДК) можно уподобить назначению реле. Изготовляются ДК как в виде самостоятельных ИС, так и в составе ИС, имеющих другие функциональные назначения.

Двунаправленный ключ без устройства управления (рис. 11.24) состоит из пары комплементарных МОП-транзисторов. Истоки и стоки у них соединены перекрестно и выведены наружу. Ключ управляется двумя взаимно инверсными сигналами Е и , которые подаются на затворы транзисторов.

Оба транзистора открыты, когда на затворе n -канального транзистора Т1 напряжение , а на затворе р -канального транзистора Т2 − . Проводящие каналы обоих транзисторов имеют небольшое сопротивление (сотни Ом) и обладают двусторонней проводимостью между точками А и Б. Параллельное включение транзисторов уменьшает общее сопротивление и делает его почти не зависящим от коммутируемого напряжения. Это позволяет использовать ДК и для коммутации аналоговых сигналов (см. п.8.2).

Когда управляющие сигналы на затворах меняют свое значение, транзисторы запираются и сопротивление между точками А и Б возрастает
(до 10⁹ Ом).

 

 

Управляющий сигнал Е обычно формируется с помощью инвертора. На рис. 11.25,а это транзисторы Т5 и Т4. Условное графическое обозначение ДК примем таким, как показано на рис. 11.25,б.

В силу своей специфичности двунаправленные ключи обусловили и обычные схемотехнические решения цифровых устройств. Например, если в выходную цепь источника сигнала включить ДК, получится элемент с тремя статическими состояниями. При запертых транзисторах ДК элемент находится в состоянии высокого импеданса. В ряде случаев применение ДК позволяет существенно упростить цифровые устройства, в частности триггеры, счетчики, регистры.

 

В заключение следует отметить, что микросхемы КМОПТЛ, как никакие другие, имеют статические параметры, близкие к идеальным: почти не потребляют мощности; имеют очень большое входное и малое выходное сопротивленияи, следовательно, высокую нагрузочную способность; отличаются высокой помехоустойчивостью, обусловленной тем, что логический перепад близок к , а пороговый уровень − к 0,5 . Пороговый и логические уровни практически не зависят от температуры. К достоинствам необходимо отнести и способность нормально работать в широком диапазоне питающих напряжений (3...15B), что позволяет упростить сопряжение с цифровыми ИС других типов (например ТТЛ) и с многими аналоговыми устройствами.

Заметим, что с увеличением напряжения питания быстродействие растет. Обусловлено это пропорциональным ростом уровня , при котором транзисторы открываются сильнее и сопротивление их проводящих каналов уменьшается.

Основной недостаток микросхем КМОПТЛ − сравнительно невысокое быстродействие (  составляет десятки наносекунд). Во многих случаях, когда оно не играет решающей роли, этим микросхемам следует отдавать предпочтение.

Сравнительно невысокое быстродействие не является принципиальным свойством КМОП-структур. Это временное явление, которое преодолевается по мере совершенствования технологии изготовления.

В настоящее время промышленность выпускает ряд серий ИС КМОПТЛ:

164, К176, K561, 564, K188, К537, К572, К587 и др. Первые четыре серии содержат ИС в основном средней степени интеграции, остальные − большой.

 

 

Преступим к третьему вопросу лекции.

 

3. Схемотехника элементов интегральной инжекционной логики (ИИЛ или И²Л).

 

Как развитие элементов транзисторной логики с непосредственными связями в последние годы появились элементы интегральной инжекционной логики (И²Л). Внешне их схемная специфика состоит в том, что исключены нагрузочные резисторы, а транзисторы имеют так называемое инжекционное питание, т.е. электрическая энергия, необходимая для работы, вводится путем инжекции неосновных носителей тока с помощью специального инжектора.

Структура транзистора с инжекционным питанием показана на рис. 11.26. В отличие от обычного транзистора здесь имеется дополнительный
р ₁- n ₁-переход (инжектор) и его электрод (И). Кроме того, области n ₁ и n ₂ выполняют обратные функции: n ₁-эмиттерную, n ₂-коллекторную. Такую структуру можно представить в виде двух транзисторов: р ₁- n ₁- р ₂ и n ₁- р ₂- n ₂  (рис. 11.27). Ключевой элемент Кл, соединенный параллельно входу n - р - n -транзистора, служит для управления. Его роль обычно выполняет аналогичный транзистор другого элемента.

 

 

Если в цепь инжектора включен источник , то в ней течет ток

 

 

При  ток  В коллекторной цепи транзистора Т′ протекает ток . Это эквивалентно наличию в цепи базы транзистора генератора тока , что дает основание упростить схему и привести к виду рис. 11.28.

 

 

 

 

Режим работы транзистора Т зависит от состояния ключа Кл. Если ключ замкнут, то ток  протекает через него, напряжение , ток базы , транзистор заперт. Если ключ разомкнут, то , транзистор открыт и при типовой нагрузке, насыщен. Покажем это, представив несколько рассматриваемых структур в виде последовательной цепочки (рис.11.29). Пусть внешняя цепь базы транзистора Т1 разорвана. Тогда , и транзистор открыт. Для его насыщения должно выполняться условие: , т.е. , где  − статический коэффициент передачи тока Т1, а  − ток генератора в цепи

базы транзистора Т2. Так как , условие насыщения выполняется при . Обеспечить такое значение В не сложно.

При насыщенном транзисторе Т1 нагружаемый на него транзистор Т2 заперт, так как ток  течет через Т1 и . Состояние последующих транзисторов, таким образом, чередуется: Т3 открыт, Т4 заперт и т.д. Рассматриваемая цепочка представляет собой последовательное соединение инверторов.
При этом наибольшее напряжение , соответствующее уровню логической единицы, устанавливается на входах открытых транзисторов Т1 и Т3, а минимальное − , соответствующее уровню логического нуля U ^о, − на входах закрытых транзисторов Т2 и Т4.

 

 

Базовым элементом И²Л можно считать сам инвертор в несколько измененном виде − у него транзистор Т многоколлекторный, что позволяет получать другие логические элементы (ИЛИ, И, И-НЕ и др.) монтажным способом.

На рис. 11.30 изображена схема ЛЭ на транзисторах, имеющих по три коллектора, и инжектор, представленного многоколлекторным транзистором Т ′. С помощью монтажной логики организованы операция ИЛИ-НЕ по двум выходам (у ₄ и у ₅) и инверсия входных сигналов по трем выходам (у ₁, у ₂, у ₃). Покажем это.

Если источники сигналов х_i имеют низкое выходное сопротивление, то токи , задаваемые транзистором Т ′, отводятся от баз Т1 … Т3 во входные цепи, и эти транзисторы заперты. Напряжение на входах . Напряжение на всех выходах ЛЭ равно  нагрузочных транзисторов (на схеме нагрузка не показана). Если хотя бы один из источников сигнала х_i переходит в высокоомное состояние (х _i = 1), то ток I _г соответствующего транзистора переключается в базу, и он насыщается. При этом на его инвертирующем выходе и на выходах у ₄ и у ₅ устанавливается уровень логического нуля.

Заметим, что ЛЭ имеет два одинаковых, но электрически развязанных друг от друга выхода: у ₄ и у ₅. Такой схемотехнический прием присущ монтажной логике. Он позволяет разветвлять выходной сигнал по нагрузкам.

 

 

 

На рис. 11.31 показано получение операции «Монтажное И» путем простого соединения коллекторов транзисторов с инжекционным питанием в общую точку. Вывод от этой точки является выходом монтажного ЛЭ. Действительно, если в коллекторных (входных) цепях ток не течет, то на всех входах х_i и на выходе у за счет тока I _г нагрузки устанавливается высокое напряжение . Если хотя бы одна коллекторная цепь становится низкоомной, на выходе напряжение получается близким к нулю.

 

 

 

Элементы И²Л характеризуются высокой экономичностью и быстродействием. При токе инжектора 10…100 мкА, что соответствует потребляемой мощности до ста микроватт,  может составлять единиц наносекунд /3/. Высокое быстродействие объясняется небольшим (0,5…0,7В) перепадом логических уровней и малой паразитной емкостью структуры. При применении диодов Шотки можно снизить   до 0,1 нс /13/.

 

Реализовать преимущества И²Л в простых ИС не представляется возможным из-за низкой помехоустойчивости. Однако структуры И²Л весьма перспективны для БИС и СБИС. Помехоустойчивость у них повышается за счет использования в качестве периферийных каскадов, имеющих связь с внешними выводами, элементов с большим перепадом логических уровней.