Логические КМОП (КМДП) инверторы

Микросхемы на комплементарных МОП транзисторах (КМОП-микросхемы) строятся на основе МОП транзисторов с n- и p-каналами. Эти транзисторы часто называют МДП транзисторами, поэтому микросхемы тоже могут называться КМДП (иностранное название: CMOS logic). Один и тот же входной потенциал открывает транзистор с n-каналом и закрывает транзистор с p-каналом. При формировании логической единицы открыт верхний транзистор, а нижний закрыт. В результате ток через КМОП схему не протекает.

При формировании логического нуля открыт нижний транзистор, а верхний закрыт. И в этом случае ток от источника питания через микросхему не протекает. Простейший логический элемент — это инвертор. Принципиальная схема инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах, приведена на рисунке 212.

 

 

Рис. 22. Принципиальная схема инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП-инвертор)

 

Схему, изображенную на рисунке, часто называют базовым элементом КМОП-микросхем. На этой схеме для упрощения понимания принципов работы КМОП микросхемы не показаны защитные и паразитные диоды. Особенностью микросхем на комплементарных МОП транзисторах (КМОП-микросхем) является то, что в этих микросхемах в статическом режиме ток, а значит и энергия от источника питания, практически не потребляется. Потребление тока происходит только в кратковременный момент ее переключения из единичного состояния в нулевое и наоборот. Этот ток вызван двумя причинами — одновременным переходом верхнего и нижнего МОП транзисторов в активный режим работы и перезарядом паразитной ёмкости нагрузки. Это обстоятельство делает целесообразным применение таких схем для построения цифровых устройств (микропроцессоров и микроконтроллеров) с низким энергопотреблением, что особенно важно для устройств мобильного и космического назначения.

Логические КМОП элементы "И"

Схема логического элемента "И-НЕ" на КМОП микросхемах практически совпадает с упрощенной схемой "И" на ключах с электронным управлением, которую мы рассматривали ранее. Отличие заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Это формирует инверсию выходного сигнала. Принципиальная схема логического элемента "2И-НЕ", выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП или КМДП), приведена на рисунке 23:

 

Рис. 23. Принципиальная схема логического элемента "2И-НЕ"

 

В этой схеме можно было бы применить в верхнем плече обыкновенный резистор, однако при формировании низкого уровня сигнала схема постоянно потребляла бы ток. Вместо этого, в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Эти транзисторы образуют активную нагрузку. Если на выходе требуется сформировать высокий потенциал, то транзисторы открываются, а если низкий— то закрываются.

В приведённой на рисунке схеме логического КМОП-элемента "2И-НЕ", ток от источника питания на выход КМОП-микросхемы будет поступать через один из транзисторов, если хотя бы на одном из входов (или на обоих сразу) будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же на обоих входах логического КМОП-элемента "И" будет присутствовать уровень логической единицы, то оба p-МОП транзистора будут закрыты и на выходе КМОП микросхемы сформируется низкий потенциал. В этой схеме, так же, как и в схеме инвертора, если транзисторы верхнего плеча будут открыты, то транзисторы нижнего плеча будут закрыты, поэтому в статическом состоянии ток КМОП-микросхемой от источника питания потребляться не будет.

Логические КМОП элементы "ИЛИ"

Логический элемент "ИЛИ", выполненный на КМОП транзисторах, представляет собой параллельное соединение ключей с электронным управлением. Отличие от упрощенной схемы "2ИЛИ", рассмотренной ранее, заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. В результате образуется логический элемент "2ИЛИ-НЕ". Вместо резистора в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Принципиальная схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ", выполненного на комплементарных МОП-транзисторах приведена на рисунке 24.

 

Рис. 24. Принципиальная схема логического элемента "ИЛИ-НЕ", выполненного на комплементарных МОП транзисторах

 

В схеме КМОП логического элемента "2ИЛИ-НЕ" в качестве нагрузки используются последовательно включенные p-МОП транзисторы. В ней ток от источника питания на выход КМОП микросхемы будет поступать только если все транзисторы в верхнем плече будут открыты, т.е. если сразу на всех входах будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же хотя бы на одном из входов будет присутствовать уровень логической единицы, то верхнее плечо двухтактного каскада, собранного на КМОП транзисторах, будет закрыто и ток от источника питания поступать на выход КМОП-микросхемы не будет.